DE2731716A1 - Kolben-zylinder-baugruppe fuer eine verbrennungskraftmaschine und verfahren zum nutzarbeit leistenden betreiben derselben - Google Patents

Description

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DR. ING. D. BEHRENS 9 DR. ING. F. WUESTHOFF 80OO MUNOHKN OO DR. E. ν. PECIIMANN SCHWEIGERSTRASSE S

IELIFOK (080) 66 20 81 TELtI S £4 070

DIPL. ING. R. GOETZ

TILIOtlUHIl PATENTANWÄLTE PHOTECTPATEIfT HCKCEX»

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Anmelder; Charles Edward Lamont

70 Ethelbert Street, Winnipeg, Canada

Titel; Kolben-Zylinder-Baugruppe für

eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Nutzarbeit leistenden Betreiben derselben.

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DH. ING. F. WUESTHOFF DR. E. ν. PKCHMANN DR. ING. D. BEHRENS DIPL. ING. R. GOETZ PATENTANWÄLTE

6 MÜNCHEN 9O SCHWEIQERi TRASSE 2 TKLKFON <089> 66 20 31 TKLCX 3 24O70

PROTECTPiTKNT HOKCHBW

10.-49 ⁶²°

Beschreibung

Kolben-Zylinder-Baugruppe für eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Nutzarbeit leistenden Betreiben derselben

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen und bezieht sich insbesondere auf ein auf diese angewandtes Verfahren und eine Kolben-Zylinder-Baugruppe zum Erhöhen des Gesamtwirkungsgrades des Kreisprozesses.

Es sind seit langem Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die Nutzarbeit aus einer mit atmosphärischer Luft gemischten Kraftstoffladung erzeugen. In den meisten Fällen arbeiten Verbrennungskraftmaschinen nach dem Otto-Prozeß oder nach einem Diesel-Prozeß; beide Prozesse sind klassisch erforschte thermodyHarnische Kreisprozesse. Der ideale Diesel-Prozeß unterscheidet sich vom idealen Otto-Prozeß durch die Art, in der Wärme zugefügt wird: beim idealen Diesel-Prozeß wird Wärme bei konstantem Druck, beim idealen Otto-Prozeß dagegen bei konstantem Volumen zugefügt.

Die in herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen verwendeten Kolben-Zylinder-Baugruppen weisen einen einteiligen Kolben auf, der durch einen Verbindungsarm mit einer Kurbelwelle betriebsmäßig so verbunden ist, daß er sich in einem Zylinderblock hin- und herbewegt. Der Zylinderblock ist mit entsprechenden, herkömmlich ausgebildeten Ventilen

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versehen, die den Eintritt von Kraftstoff und Luft in eine vom Zylinderblock und vom Kolben begrenzte Kammer und das Ausstoßen verbrauchter Verbrennungsprodukte aus der Kammer regulieren. Der einteilige Kolben hat einen unveränderlichen Hubweg, der definiert werden kann als der Abstand zwischen der obersten und der untersten Stellung des Kolbens gegenüber dem Zylinderblock.

Da übliche Motoren eine brennbare Ladung auf einen Bruchteil des anfänglichen Volumens der Kammer verdichten und nach der Zündung zulassen, daß sich die entstehenden Verbrennungsprodukte auf ein Volumen ausdehnen, das dem anfänglichen Volumen der Kammer im wesentlichen gleich ist, haben die Kolben-Zylinder-Baugruppen der meisten bekannten herkömmlichen Motoren ein Volumenverhältnis 1:1 der Volumina im ausgedehnten oder entspannten und im vorverdichteten Zustand.

Die bekannten Verbrennungskraftmaschinen stoßen in den meisten Fällen große Mengen an unverbrauchter bzw. ungenutzter Wärme in die Atmosphäre aus, wenn sich die Auslaßventile am Ende eines Expansionsabschnittes des thermodynamischen Kreisprozesses öffnen. Das Nichtnutzen solcher Wärme trägt zum niedrigen Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses bei. Da die Verbrennung einer Ladung aus Luft und Kraftstoff auch ein verhältnismäßig hohes Druckniveau in der Kammer erzeugt, wird durch das Öffnen der Auslaßöffnung ein Druckimpuls in die Atmosphäre freigesetzt. Dieser Druckimpuls oder -stoß ist selbstverständlich Leerlaufarbeit und ist eine Quelle akustischen Geräuschs, welches einen Schalldämpfer erforderlich macht. Ein Schalldämpfer erzeugt einen Rückdruck, der durch den Auspuffgasdruck überwunden werden muß und somit Ursache für unvollständiges Ausstoßen je Kreisprozeß ist.

Die vorstehend genannten Merkmale tragen sowohl bei nach dem Otto-Verfahren als auch bei nach dem Diesel-Verfahren arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen zu einem extrem niedrigen Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses bei.

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In jüngerer Zeit wurde großes Gewicht auf die Verringerung und Ausschaltung von durch Verbrennungskraftmaschinen erzeugten luftverschmutzenden Gasen gelegt. In diesem Zusammenhang wurden zur Verwendung als zusätzliches Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine zahlreiche Entgiftungsvorrichtungen vorgeschlagen. Die bekannten Entgiftungsvorrichtungen gehen das Problem der Luftverschmutzung im allgemeinen von außen an. Beispiele sind die Regulierung der Kraftstoffgemische, das Erniedrigen der Zündtemperatur und/oder das Anbringen verschiedener Zubehöre und Vorrichtungen außerhalb der Verbrennungskraftmaschine. Keine dieser außen angeordneten Entgiftungsvorrichtungen befaßt sich in angemessener Weise mit dem Problem hoher Gastemperatur und der Bildung luftverschmutzender Gase bei gleichzeitiger Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs und Verbesserung des Wirkungsgrades des thermodynamisehen KreisproaaaBeB^Zudem setzen viele der bestehenden Vorrichtungen den Wirkungsgrad des Kreisprozesses herab und erhöhen den Rückdruck auf die Verbrennungekraftmaschine, wodurch Kaltstarten erschwert wird, - ein besonderer Nachteil in nördlichen Klimazonen.

In jüngerer Zeit wurde der Energieverbrauch von mit Kraftstoffen auf Erdölbasis betriebenen Verbrennungskraftmaschinen zum Gegenstand wachsender Besorgnis. Es ist eine allgemein anerkannte Tatsache, daß durch Verbrennungskraftmaschinen auf Grund des Druckes und der Temperatur der ausgestoßenen Produkte beträchtliche Energiemengen vergeudet werden. Sie geringe Energieausnutzung bei Verbrennungskraftmaschinen hat in Verbindung mit den bedeutend angestiegenen Kraftstoffkosten zur Suche nach neuen und verbesserten Verfahren zum Senken des Kraftstoffverbrauchs geführt. In dem Bestreben, eine Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch zu erzielen, ergeben die vorgenommenen Änderungen an den bestimmten Kraftstoffen, Kraftstoffzusätzen, Vergasungsverfahren und Gesamtverdichtungsverhältni ssen der Verbrennungskraftmaschinen gewöhnlich nur eine Unzahl von Störungen.

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Die von verschiedenen Seiten ine Auge gefaßten und vorgeschlagenen mannigfaltigen Verfahren haben zwar im Grad unterschiedlichen Erfolg gehabt, jedes von ihnen ist jedoch im allgemeinen ungeeignet für ein nachträgliches Ausrüsten einer bestehenden Verbrennungskraftmaschine, ohne daß beträchtliche Verluste in der abgegebenen Leistung, beträchtliche Schwierigkeiten bei der Vornahme der notwendigen mechanischen Änderungen u.dgl. eintreten. Außerdem ergaben einige Versuche zur Überwindung der Probleme des hohen Kraftstoffverbrauchs und der Erzeugung von luftverschmutzenden Gasen so unterschiedliche Arbeitsprinzipien wie sie in Rotationsmotoren verwirklicht sind. Rotationsmotoren nutzen jedoch nicht den großen Schatz von vorhandener Erfahrung und vorliegenden Daten aus, die im Zusammenhang mit herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen entwickelt worden sind.

Nach einem Vorschlag, der jedoch nicht die Billigung als lebensfähiger Motor fand, war eine Verbrennungskraftmaschine mit einem mehrteiligen Kolben ausgestattet, der sich mit veränderlicher Geschwindigkeit in einem Zylinder hin- und herbewegt. Der Zylinder hat ein Paar Kammern zum Ansaugen, Verdichten, Entspannen und Ausstoßen einer brennbaren Ladung. Der in den innnersten Bereichen einer Verbrennungskraftmaschine versteckte komplexe mechanische Teil eines sich mit veränderlicher Geschwindigkeit bewegenden Kolbens hat ganz sicher zu dem mangelnden Interesse an der in der US-PS 1 139 713 beschriebenen Verbrennungskraftmaschine beigetragen. Wenngleich in dieser Patentschrift eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen wird, bei der das Volumenverhältnie eines Endvolumens im entspannten Zustand zum Vorverdichtungsvolumen etwa 2:1 beträgt, wird in ihr kein Weg zur Milderung oder Beseitigung der Notwendigkeit eines Schalldämpfers aufgezeigt und der Nutzen nicht erkannt, der in einer Erhöhung des GesamtWirkungsgrades des thermodynamisehen Kreisprozesses liegt, die bei einer Verbrennungskraftmaschine erzielt werden kann.

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Demgemäß besteht nach wie vor Bedarf an einem Verfahren für die innere Verbrennung und an einer Vorrichtung zur Verwendung in Verbrennungakraftmaschinen, die bei einem Minimum an Änderungen die Leistungserzeugung verbessern und gleichzeitig die Energie herabsetzen, die in Form von Wärme und Druck der Auspuffgase vergeudet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolben-Zylinder-Baugruppe zur Verwendung an neuen Verbrennungskraftmaschinen und zum Nachrüsten von vorhandenen Verbrennungskraftmaschinen bei einem Minimum an äußeren Veränderungen zu schaffen, die ferner in der Lage ist, die Verbrennungsprodukte in einer Verbrennungskraftmaschine auf einen Druck zu entspannen, der im wesentlichen nahe oder unter atmosphärischem Druck liegt, und den Wirkungsgrad des thermodynamisehen Kreispio-ZHSBBS der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine deutlich erhöht.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei dem die Überleitung einer verdichteten Ladung aus einer empfangenden Verdichtungskammer zu einer entspannenden Ausstoßkammer durch die Hin- und Herbewegung eines beweglichen Kopfes reguliert wird, der durch sein Mitwirken eine der Kammern begrenzt.

Die obige Aufgabe ist im wesentlichen durch eine Vebrennungskraftmaschine gelöst, bei der eine Kolben-Zylinder-Baugruppe erfindungsgemäß einen Zylinder mit einer Wand, die von einer Öffnung durchsetzt ist, hat, einen Kolben, der verschiebbar so angeordnet ist, daß er mit einem Hubweg relativ zum Zylinder hin- und herbewegbar ist, mit einer ersten Kolbenfläche von einem ersten Flächeninhalt, die im Zusammenwirken mit dem Zylinder einer erste Kammer begrenzt, einer zweiten Kolbenfläche von einem zweiten Flächeninhalt, der beträchtlich kleiner ist als der erste Flächeninhalt, und mit einer die erste Kolbenfläche von der zweiten Kolbenfläche trennenden Nut, welche eine den Hubweg übersteigende Tiefe hat und

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während der Hin- und Herbewegung des Kolbens die Wand aufzunehmen vermag, und einen am Zylinder verschiebbar angeordneten hin- und herbewegbaren Kopf, der im Zusammenwirken mit der zweiten Kolbenfläche und dem Zylinder eine zweite Kammer begrenzt, durch Öffnen und Schließen der Öffnung nach Art eines Ventils die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer zu steuern vermag und sich aus der zweiten Kammer zurückzuziehen vermag, wenn die zweite Kolbenfläche in diese eindringt, um so einen im voraus bestimmten Volumenplan der zweiten Kammer einzuhalten, bis sich die Öffnung öffnet, um Verbindung mit der ersten Kammer herzustellen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung gewinnt Nutzarbeit aus einer gasförmigen Ladung und Kraftstoff in einer Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäß in der Weise, daß eine gasförmige Ladung in die vom Kolben, dem Zylinder und dem bewegbaren Kopf begrenzte zentrale Kammer eingeführt wird, daß die gasförmige Ladung durch Bewegen des Kolbens in die zentrale Kammer verdichtet wird, daß eine Kraftstoff menge der zentralen Kammer zugeführt wird, um mit der gasförmigen Ladung ein brennbares Gemisch zu erzeugen, daß der bewegbare Kopf bewegt wird, um in der zentralen Kammer einen im voraus bestimmten Verdichtungsverhältnisplan einzuhalten, daß das brennbare Gemisch aus der gasförmigen Ladung und der Kraftstoffmenge gezündet wird, um Temperatur und Druck entstehender Verbrennungsprodukte zu erhöhen, daß wenigstens ein Teil der Verbrennungsprodukte aus der zentralen Kammer zu einer umgebenden Kammer übergeleitet wird, die vom Zylinder und der zugehörigen zweiten Kolbenfläche begrenzt ist, daß die Verbrennungsprodukte in der umgebenden Kammer dadurch auf Atmosphärendruck entspannt werden, daß zugelassen wird, daß das Gemisch gegen die mit einer Arbeit leistenden Welle verbundene zweite Kolbenfläche drückt, und daß die entspannten Verbrennungsprodukte aus der umgebenden Kammer ausgestoßen werden.

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Die Erfindung schafft somit eine Kolben-Zylinder-Baugruppe, die in neuen Verbrennungskraftmaschinen verschiedener Typen und zum Nachrüsten von Verbrennungskraftmaschinen bestehender Typen verwendbar ist, um einen hohen thermodynamisehen Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu erzielen und das Volumen von aus dem Motor ausgestoßenen luftverschmutzenden Gasen beträchtlich zu reduzieren. Die Kolben-Zylinder-Baugruppe umfaßt einen Kolben mit einer zentral angeordneten, im wesentlichen kreisrunden ersten Kolbenfläche, die von einer im wesentlichen konzentrischen, kreisringförmigen zweiten Kolbenfläche umgeben ist. Die erste und die zweite Kolbenfläche sind duch eine kreisringförmige Nut voneinander getrennt, die eine zylindrische Wand einer Zylinder-Baugruppe aufnimmt. Der Kolben bewegt sich in der feststehenden Zylinder-Baugruppe hin und her und wirkt mit der Zylinder-Baugruppe zusammen, um eine kreisringförmige Expansions-/ Ausstoß-Kammer zu begrenzen. Eine bewegbare Kopf-Baugruppe, die gegenüber der Zylinder-Baugruppe hin- und herbewegbar angeordnet ist, wirkt mit der Zylinder-Baugruppe und dem Kolben zusammen, um eine zentral angeordnete Einlaß-/Verdichtungs-Kammer zu begrenzen. Die zylindrische Wand hat eine Öffnung, die durch die bewegbare Kopf-Baugruppe nach Art eine8 Ventils geöffnet und geschlossen wird, um die Verbindung zwischen der Einlaß-ZVerdichtungs-Kammer und der Expansions-/Ausstoß -Kammer zu steuern. Bewegung der bewegbaren Kopf-Baugruppe vermag ebenfalls die Verdichtung der zentralen Kammer festzulegen. Das maximale Volumen der Expansions-/ Ausstoß-Kammer ist so gewählt, daß der Druck von Verbrennungsprodukten auf einen Wert herabgesetzt wird, der nahe oder unter dem Umgebungsdruck liegt.

Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigt:

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Pig. 1 eine Schrägansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit obenliegender Nockenwelle und Kolben-Zylinder-Baugruppen nach der Erfindung, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit Teile weggelassen worden sind,

Fig. 1a eine vergrößerte Ansicht der Nockenwelle, die eine Ventilbetätigungsvorrichtung zeigt,

Fig. 2 den Teilquerschnitt 2-2 in Fig. 1, wobei aus

Gründen der Übersichtlichkeit die Ventilbetätigungsvorrichtung weggelassen worden ist,

Fig. 2a einen Teilquerschnitt durch die Kolben-Baugruppe, der Einzelheiten der Pleuelstange zeigt,

Fig. 3 eine Ansicht in größerem Maßstab des oberen Teils von Fig. 2 mit einer verschiedenen Stellung der Kolben-Baugruppe, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Ventilbetätigungsvorrichtung weggelassen worden ist,

Fig. 4 den Querschnitt 4-4 in Fig. 3»

Fig. 5a bis 5e Teilquerschnitte, die verschiedene Zeitpunkte in einem Kreisprozeß zeigen, und

Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Fig. 3·

Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit obenliegender Nockenwelle, die vier in Reihe angeordnete Kolben-Zylinder-Baugruppen 12a, 12b, 12c und 12d aufweist. Jede Kolben-Zylinder-Baugruppe 12a, 12b, 12c und 12d ist an der Oberseite eines Motorblocks 14 angeordnet. Durch den Motorblock 14 erstreckt sich in Längsrichtung eine entsprechende, herkömmlich ausgebildete Kurbelwelle 16, die ein aus einem Ende des Motorblocks 14 herausragendes Ende aufweisen kann. Außerdem ist die Kurbelwelle 16 mit einer Abtriebswelle 18 antriebsmäßig verbunden, die aus dem entgegengesetzten Ende des Motorblocke 14 herausragen kann. Mit der Abtriebswelle 18 kann ein beliebiger Energieverbraucher so verbunden sein, daß er durch diese antreibbar ist.

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Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist ebenfalls mit einer obenliegenden Nockenwelle 20 versehen, die sich in Längsrichtung entlang dem Motorblock 14 erstrecken kann. Am Ende der Nockenwelle 20 kann ein entsprechendes, herkömmlich ausgebildetes Kettenrad 22 angeordnet sein, das mit einem entsprechenden Kettenrad 23 am herausragenden Ende der Kurbelwelle 16 zusammenwirkt. Das Kettenrad 22 an der Nockenwelle 20 ist mit der Drehbewegung der Kurbelwelle 16 durch eine Steuerkette 24 synchronisiert, welche das Kettenrad 22 mit dem Kettenrad 23 an der Kurbelwelle 16 verbindet. Die Steuerkette 24 und die Kettenräder 22 und 23 bilden eine übliche Baugruppe, die in Verbrennungskraftmaschinen des Typs mit obenliegender Nockenwelle häufig verwendet wird. Natürlich liegt auch eine Verbrennungskraftmaschine mit innen angeordneter Nockenwelle im Rahmen der Erfindung.

Die Kurbelwelle 16 dreht sich um eine Längsachse 28 (Fig. 2) und hat eine Vielzahl von seitwärts sich erstreckenden Kröpfungen 30, die bei sich drehender Kurbelwelle 16 die Längsachse 28 umkreisen. Für jede Kolben-Zylinder-Baugruppe 12a, 12b, 12c und 12d der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Kröpfung 30 vorgesehen. Demgemäß ist die Kurbelwelle 16 mit vier seitlichen Kröpfungen 30 versehen, von denen je eine einer der Kolben-Zylinder-Baugruppen 12a, 12b, 12c und 12d zugeordnet ist. Wie üblich, weist die Kurbelwelle 16 auch eine Vielzahl von Ausgleichsgewichten 32, 32a auf.

Jede der Kolben-Zylinder-Baugruppen 12a, 12b, 12c und 12d ist im wesentlichen gleich auegebildet; es genügt daher, eine von ihnen in Einzelheiten zu beschreiben. Wie Fig. 2 zeigt, weist die Kolben-Zylinder-Baugruppe 12_C einen feststehenden Zylinder 34 auf, dessen Symmetrieachse die Längsachse 28 der Kurbelwelle 16 schneiden kann. Der Zylinder 34 kann mit der Verbrennungskraftmaschine 10 starr verbunden sein. Die Kolben-Zylinder-Baugruppe 12c hat weiterhin einen Kolben 36, der für Hin- und Herbewegung gegenüber dem Zylinder 34 in diesem verschiebbar angeordnet ist.

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Der Kolben 36 ist durch ein entsprechendes Verbindungsglied oder Pleuelstange 38 mit einer entsprechenden Kröpfung 30 der Kurbelwelle 16 verbunden. Die Pleuelstange 38 hat eine Gabel 39 (Pig· 2a), welche einen nach unten sich erstreckenden Abschnitt 41 des Kolbens 36 übergeift. Zwischen jedem Arm der Gabel 39 und dem Kolben 36 ist nahe dem oberen Teil des letzteren durch entsprechende Anlenkbolzen 43 eine Schwenkverbindung hergestellt, um jegliche Tendenz zum Klemmen zwischen dem Kolben 36 und dem zugehörigen Zylinder 34 zu verringern. Außerdem ist durch die Anordnung der Schwenkverbindung nahe dem oberen Teil des Kolbens 36 eine verringerte vertikale Höhe der Verbrennungskraftmaschine erzielt. Die Verbindung des Kolbens 36 mit der Kurbelwelle 16 durch die Pleuelstange 38 bewirkt, daß sich der Kolben 36 bei Drehen der Kurbelwelle 16 mit einem im voraus festgelegten Hubweg hin- und herbewegt.

Das andere Hauptbauteil jeder Kolben-Zylinder-Baugruppe 12c ist ein hin- und herbewegbarer Kopf 40, der im Zylinder 34 einem zentralen Flächenabschnitt des Kolbens 36 gegenüber verschiebbar angeordnet ist (Pig. 2).

Wie Fig. 3 zeigt, weist der Zylinder 34 eine im wesentlichen kreisringförmige Scheibe 42 auf, die am oberen Ende desselben angeordnet ist. An der Achse der Scheibe 42 ist eine im wesentlichen zylindrische Bohrung 44 angeordnet, welche den bewegbaren Kopf 40 verschieblich aufzunehmen vermag.

Von der Scheibe 42 ragt eine erste, im wesentlichen zylindrische Wand 46 nach unten, die eine im wesentlichen zylindrische Innenfläche 48 von im wesentlichen gleichem Durchmesser wie die zylindrische Bohrung 44 aufweist. Die zylindrische Wand 46 hat eine oder mehrere Öffnungen 50, welche sie durchsetzen, um Fluidverbindung zu schaffen. Da die zylindrische Innenfläche 48 der zylindrischen Wand 46 im wesentlichen denselben Durchmesser hat wie die Bohrung 44, bewirkt somit Bewegung der bewegbaren Kopfes 40 Öffnen und Schließen der Öffnungen 50 nach Art eines Ventils.

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Vom Außenumfangerand der Scheibe 42 ragt eine zweite zylindrische Wand 52 nach unten. Die erste zylindrische Wand 46 und die zweite zylindrische Wand 52 sind vorzugsweise konzentrisch zueinander und begrenzen durch ihr Zusammenwirken miteinander eine kreisringförmige Höhlung, die unter einer Unterseite 34 der Scheibe 42 angeordnet ist. Die Unterseite 54 der Scheibe 42 weist eine im wesentlichen kreisrunde Öffnung 56 auf (Fig. 4), welche der Einlaß zu einem Ventildurchlaß ist, der von einer nach oben in die Scheibe 42 konvergierenden kegelstumpfförmigen Fläche 58 begrenzt ist, und mit einem Auslaßkanal 60 in Verbindung steht, der im Innern der Scheibe 42 ausgebildet ist. Der Auslaßkanal 60 ist mit einem entsprechenden, herkömmlich ausgebildeten Abgassammler 61 und einer Auspuffanlage verbunden.

Die kegelstumpfförmige Fläche 58 der Scheibe 42 wirkt mit einem entsprechenden, herkömmlich ausgebildeten Auslaßventil 62 zusammen, das sich durch die Scheibe 42 des Zylinders 34 erstreckt und mit einer im wesentlichen kegelstumpf förmigen Ventil- oder Verschlußfläche 64 versehen ist. Vertikale Bewegung des Auslaßventils 62 führt zu einer Öffnung zwischen der einen Ventilsitz bildenden kegelstumpfförmigen Fläche 58 der Scheibe 42 und der kegelstumpfförmigen Verschlußfläche 64 des Auslaßventils 62. In dieser Weise kann die Verbindung zwischen dem Auslaßkanal 60 und der -vom Zylinder 34 begrenzten kreisringförmigen Vertiefung reguliert werden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist das Auslaßventil 62 so federbelastet, daß die kegelstumpfförmige Fläche 58 und die Verschlußflache 64 aneinander anliegen. Diese elastische Vorspannung wird durch eine Ventilfeder 66 erzeugt. Das Auslaßventil 62 ist durch eine zugehörige Schwingarmvorrichtung 67 betätigbar (Fig. 1a). Diese weist einen Auslaßventil-Schwingarm 68 auf, der an einer Schwingarmstütze 70 schwenkbar gelagert ist, welche an einer am Zylinder 34 befestigten Halterung angeordnet sein kann. Der Auslaßventil-Schwingarm 68 hat ein Hubglied 72, das durch die Fläche eines Auslaßventil-

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Nockens 74 an der Nockenwelle 20 betätigbar ist. Wenn sich daher die Nockenwelle 20 in der von einem Pfeil 75 angegebenen Richtung dreht, ruft der Auslaßventil-Nocken 74 Schwingbewegung des Auslaßventil-Schwinganns 68 hervor. Wenn der Auslaßventil-Schwingann 68 um die Schwingarmstütze 70 schwenkt, wird Bewegung des Auslaßventils 62 gegen die Vorspannung der Ventilfeder 66 ausgeführt.

Wenngleich nur ein Auslaßventil 62 gezeichnet ist, können im Bedarfsfall zusätzliche Auslaßventile vorgesehen werden.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die zweite zylindrische Wand 52 des Zylinders 34 eine Länge, welche beträchtlich größer ist als die Länge der ersten zylindrischen Wand 46. Die größere Länge der zweiten zylindrischen Wand 52 ermöglicht es dieser, die Bewegung des Kolbens 36 zu führen, wenn sich dieser relativ zu ihr hin- und herbewegt. Wie bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren führt der Kolben 36 nach der Erfindung relativ zum Zylinder 34 eine Hin- und Herbewegung mit einem im voraus festgelegten, im wesentlichen konstanten Hubweg aus. Wie Fig. 5a zeigt, läßt sich der Hubweg als der Abstand zwischen der obersten Stellung 76 und der untersten Stellung 78 des Kolbens 36, bezogen auf den Zylinder 34, definieren. Die oberste Stellung 76 wird häufig als obere, die unterste Stellung 78 häufig als untere Totpunktlage bezeichnet. Die Länge der ersten zylindrischen Wand 46 ist so gewählt, daß sie die Länge des Kolbenhubweges übersteigt.

Anhand Fig. 3 wird nun der Kolben 36 in Einzelheiten beschrieben. Der Kolben 36 hat eine erste Kolbenfläche 80, welche im wesentlichen kreisringförmig ist und in der Vertiefung angeordnet ist, die von der ersten zylindrischen Wand 46, der zweiten zylindrischen Wand 52 und der Unterseite 54 der Scheibe 42 begrenzt ist. In dieser Weise begrenzen die erste Kolbenfläche 80 und der Zylinder 34 im Zusammenwirken miteinander eine kreisringförmige Kammer 82 mit veränderbarem Volumen.

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Zentral am Kolben 36 ist eine zweite Kolbenfläche 84 angeordnet, die im wesentlichen kreisrund ist und am Umfang von der ersten Kolbenfläche 80 umgeben ist. Die erste Kolbenfläche 80 und die zweite Kolbenfläche 84 sind radial durch eine kreisringförmige Nut 86 voneinander getrennt, die von einem Paar im wesentlichen zylindrischer Wände 88,90 gebildet ist. Die kreisringfömige Nut 86 nimmt die erste zylindrische Wand 46 des Zylinders 34 auf (Fig. 5a). Dementsprechend hat die kreisringförmige Nut 86 eine Tiefe, die so gewählt ist, daß die zylindrische Wand 46 über dem gesamten Hubweg des sich hin- und herbewegenden Kolbens 36 aufnehmbar ist.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Wand 88 der Nut 86 mit einer Vielzahl von in Umfangerichtung sich erstreckenden Kanälen 92 versehen, die nahe der zweiten Kolbenfläche 84 angeordnet sind. Die in Umfangsrichtung sich erstreckenden Kanäle 92 sind je mit einem entsprechenden, zweckdienlichen, herkömmlich ausgebildeten Dichtring 94 versehen, der als gleitende Druckdichtung zwischen der zylindrischen Innenfläche 48 der zylindrischen Wand 46 und der benachbarten zylindrischen Wand 88 der Nut 86 abdichtet. In ähnlicher Weise ist die äußere zylindrische Wand 90 der Nut 86 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung sich erstreckenden Kanälen 96 versehen, von denen jeder einen entsprechenden, zweckdienlichen, herkömmlich ausgebildeten Dichtring 98 hat. Die Dichtringe 98 wirken als gleitende Druckdichtungen zum Abdichten zwischen der äußeren zylindrischen Wand 90 der Nut 86 und einer benachbarten äußeren zylindrischen Fläche 100 der zylindrischen Wand 46.

Vom Außenumfangsrand der ersten Kolbenfläche 80 erstreckt sich eine im wesentlichen zylindrische Fläche 102 nach unten, welche eine Vielzahl von in Umfangerichtung sich erstreckenden Kanälen 104 aufweist, von denen jeder einen entsprechenden, zweckdienlichen, herkömmlich ausgebildeten Dichtring 106 aufnimmt. Die Dichtringe 106 wirken als gleitende Druckdichtung zum Abdichten zwischen der äußeren Fläche 102 des

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Kolbens 36 und einer inneren zylindrischen Fläche 108 der zweiten zylindrischen Wand 52 des Zylinders 34.

Anhand Fig. 3 wird nun der hin- und herbewegbare Kopf 40 beschrieben. Der hin- und herbewegbare Kopf 40 hat vorzugsweise einen im wesentlichen zylindrischen Flächenabschnitt 110, der von der Bohrung 44 der Scheibe 42 des Zylinders verschieblich aufgenommen ist. Im Bedarfsfall können zum Abdichten zwischen der Bohrung 44 und dem zylindrischen Flächenabschnitt 110 zweckdienliche, herkömmlich ausgebildete Gleitdichtungen vorgesehen sein. Das obere Ende des zylindrischen Flächenabschnittes 110 endet in einem radial nach außen sich erstreckenden Flansch 112, der herausragt, um eine Schulter 114 zu bilden, die einen mechanischen Anschlag zum Begrenzen der Länge bildet, mit der der hin- und herbewegbare Kopf 40 in den Zylinder 34 hineinragt. Der zylindrische Flächenabschnitt 110 hat eine Länge, die so gewählt ist, daß ein Abschnitt des zylindrischen Flächenabschnitts TD über die Öffnungen 50 in der ersten zylindrischen Wand 46 hinausgeht, wenn sich die Schulter 114 an die Oberseite 116 der Scheibe 42 des Zylinders 34 anlegt.

Eine im wesentlichen kreisrunde Endfläche 118 des bewegbaren Kopfes 40 hat einen kegelstumpfförmigen Ventilsitz 120, der in einer im bewegbaren Kopf 40 ausgebildeten Höhlung 122 endet. Die Kammer oder Höhlung 122 steht mit wenigstens einem Einlaßkanal 124 in Verbindung, durch den eine gasförmige Ladung, wie z.B. Luft, in die Höhlung 122 eindringen kann.

Im Ventilsitz 120 ist ein zweckdienliches Verschlußglied angeordnet, das eine zentrale Aussparung 128 hat. Das Verschlußglied 126 ist vom Endstück einer Kraftstoff-Einspritzvarichtung I30 getragen, die mit dem hin- und herbewegbaren Kopf 40 im wesentlichen gleichachsig angeordnet ist.

Vom Kopf 40 erstreckt sich ein Paar Lappen 132, von denen nur einer gezeichnet ist, nach oben und übergreift die

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Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130. Wie Pig. 1a zeigt, ist jeder Lappen 132 mit einem Zündkerzen-Schwingarm 134 verbunden, der Teil einer Baugruppe 133 ist, welche den bewegbaren Kopf 40 relativ zum feststehenden Zylinder 34 und zum Kolben 36 hin- und herbewegt. Der Zündkerzen-Schwingarm 134 ist an einer zweckdienlichen Stütze 136 schwenkbar gelagert, die an der Halterung 71 befestigt sein kann. Bewegung des Zündkerzen-Schwingarms 134 wird durch ein Hubglied 138 ausgeführt. Der Zündkerzen-Schwingarm schwenkt um die Stütze 136 auf Grund von Berührung zwischen dem Hubglied 138 und einer Zündkerzen-Nockenfläche 140 an der Nockenwelle 20. Somit ruft Drehbewegung der Nockenwelle translatorische Bewegung des bewegbaren Kopfes 40 hervor. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 von einer zentralen Bohrung 139 des bewegbaren Kopfes verschieblich aufgenommen. Auf diese Weise können sich die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung I30 und der Kopf 40 unabhängig voneinander bewegen, so daß das vom Verschlußglied 126 gebildete Einlaßventil geöffnet und geschlossen werden kann.

Pig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Kraftstoff-Einspritzvarichtung I30, die nun in Einzelheiten beschrieben wird. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung I30 hat ein Gehäuse mit einem oberen Gehäuseteil 142, der mit einem unteren Gehäuseteil 144 verschraubt sein kann. Der obere Gehäuseteil 142 weist eine zentral angeordnete Bohrung 146 auf, an deren unterem Ende eine Büchse 148 fest angeordnet ist. In der Bohrung 146 ist ein dreiteiliger Tauchkolben 150 hin- und herbewegbar angeordnet, der Längsschlitze 152, 153 aufweist, die Drehung des oberen bzw. des unteren Kolbenteils verhindern, und ein mit dem mittleren Kolbenteil verbundenes Stirnzahnrad 154 hat. Der Tauchkolben 150 ist durch eine Druckfeder 156 elastisch nach oben vorgespannt und liegt an einer Fläche 158 der Verbrennungskraftmaschine 10 an. Der obere Gehäuseteil 142 ist mit einer Regulierstange versehen, die im oberen Gehäuseteil 142 hin- und herbewegbar ist. Die Regulierstange 160 hat eine nicht gezeichnete

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Zahnstange, die mit dem Stirnzahnrad 154 kämmt, um Drehung des mittleren Kolbenteils um seine Längsachse hervorzurufen. Die Längsschlitze 152 und 153 wirken mit entsprechenden Stiften 162 und 163 zusammen, um den Tauchkolben 150 in der Längsrichtung zu führen. Die Regulierstange 160 reguliert die von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 eingespritzte Kraftstoffmenge durch Drehen des mittleren Kolbenteils und dadurch durch Verändern des Abstandes zwischen dem oberen und dem unteren Kolbenteil.

Der Tauchkolben 150 ist in der Büchse 148 verschieblich aufgenommen und begrenzt eine Kraftstoffkammer 164. Am unteren Ende der Kraftstoffkammer 164 befindet sich eine Platte 166, welche durch eine Feder 168 nach oben vorgespannt ist, um am unteren Ende der Kraftstoffkammer 164 ein Rückschlagventil zu bilden. Kraftstoffverbindungen mit Öffnungen 170 der Büchse 148 bestehen durch einen Kanal 172, der mit einem Kraftstoffanschlußstück 174 in Verbindung steht.

Befindet sich Kraftstoff in der Kraftstoffkammer 164, erzeugt Hin- und Herbewegen des Tauchkolbens 150 relativ zu den Gehäuseteilen 142 und 144 einen Kraftstoffdruck, der die Vorspannung der Feder 168 überwindet und es zuläßt, daß eine Kraftstoffladung aus der Kraftstoffkammer 164 heraus und durch einen Kanal 176 strömt, der mit der Aussparung des tellerförmigen oder scheibenförmigen Verschlußgliedes 126 in Verbindung steht. Somit ruft Relativbewegung zwischen dem Tauchkolben 150 und den Gehäuseteilen 142 und 144 die Einspritzung einer Kraftstoffmenge durch die Aussparung hindurch hervor. Wie Fig. 1a zeigt, ist Relativbewegung zwischen dem Tauchkolben 150 und den oberen und unteren Gehäuseteilen 142 und 144 durch eine Einspritz-Schwingarm-Baugruppe 143 hervorrufbar. Die Einspritz-Schwingarm-Baugruppe 143 hat einen Einspritz-Schwingarm 145, der mit dem oberen Gehäuseteil 142 schwenkbar verbunden ist und an einer Stütze 147, die an die Halterung 71 angeschlossen ist, schwenkbar gelagert sein kann. Der Einspritz-Schwingarm 145 trägt ein Hubglied 149» welches an einem entsprechend

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gestalteten Einspritz-Nocken 151 an der Nockenwelle 20 anliegt. Während die Einspritz-Schwingarm-Baugruppe 145 und die Zündkerzen-Schwingarm-Baugruppe 133 Hin- und Herbewegung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 und des bewegbaren Kopfes 40 hervorrufen, bewirken diese Baugruppen 145 und 133 auch Relativbewegung zwischen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 und dem bewegbaren Kopf 40, durch die das vom Ventilverschlußglied 126 gebildete Einlaßventil betätigt wird (Fig. 3).

Die Endfläche 118 des bewegbaren Kopfes 40, die zylindrische Wand 46 des Zylinders 34 und die zweite Kolbenfläche 84 begrenzen im Zusammenwirken miteinander eine zweite Kammer 180 von veränderbarem Volumen, in die Kraftstoff aus der Kraftstοff-Einspritzvorrichtung I30 abgegeben wird. Die Kammer I80 ist im wesentlichen zylindrisch und hat ein Volumen, das sich bei Bewegung des Kolbens 36 und bei Bewegung des bewegbaren Kopfes 40 verändert. Die erste Kolbenfläche 80 ist vorzugsweise so bemessen, daß sie einen beträchtlich größeren Flächeninhalt hat als die zweite Kolbenfläche 84. Dementsprechend ist das Volumen der Kammer I80 beträchtlich kleiner als das Volumen der kreisringförmigen Kammer 82, die die zentrale Kammer I8O in Umfangsrichtung umgibt.

Nachdem die Einzelheiten des Aufbaues der Kolben-Zylinder-Baugruppe 12a, 12b, 12c und 12d beschrieben worden sind, wird nun deren Arbeitsweise beim Erzeugen von Arbeit aus einer gasförmigen Ladung und einer Kraftstoffmenge anhand der Fig. 5a bis 5e beschrieben.

Bei einer Ausgangsstellung mit dem Kolben 36 in der oberen Totpunktlage (Fig. 5d), gleiten der bewegbare Kopf 40 und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung I30 nach unten in die zentrale Kammer 180 (Fig. 5e), um die Öffnungen 50 zu verschließen und weitere Fluidverbindung zwischen der zentralen Kammer 18O und der umgebenden kreisringförmigen Kammer 82 zu verhindern.

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Wenn sich der Kolben 36 nach unten bewegt, bewegen sich die Einspritzvorrichtung 130 und das als Einlaßventil wirkende Ventilverschlußglied 126 des bewegbaren Kopfes weiter nach unten, um Pluidverbindung zwischen der zentralen Kammer 180 und einer Gasquelle, beispielsweise Luft, herzustellen. Wie Pig. 3 zeigt, kommt die Pluidverbindung über die Einlaßkanäle 124, die Höhlung 122 und einen Raum zwischen dem Ventilsitz 120 und dem scheibenförmigen Ventilverschlußglied 126 zustande. Portgesetzte Abwärtsbewegung des Kolbens 36 bewirkt Einführung einer gasförmigen Ladung in die zentrale Kammer 180 (Fig. 5a).

Sobald der Kolben 36 die untere Totpunktlage in der untersten Stellung 78 erreicht hat, bewegen sich die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 und das Ventilverschlußglied 126 vertikal nach oben, um die zentrale Kammer 180 abzudichten. Der Kolben 36 beginnt dann, sich vertikal nach oben zu bewegen (Fig. 5b) und verdichtet die gasförmige Ladung in der zentralen Kammer 180.

Wenn sich der Kolben 36 dem oberen Ende seines Hubweges nähert (sh. Fig. 5c, in der der Abstand aus Gründen der deutlicheren Darstellung übertrieben gezeichnet ist), beginnen der bewegbare Kopf 40 und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130, sich vertikal nach oben und aus der zentralen Kammer heraus zu bewegen. Somit bewirkt die gesteuerte Bewegung des bewegbaren Kopfes 40 relativ zum feststehenden Zylinder 34, daß der Grad der Verdichtung, die in der Kammer I80 eintritt, gesteuert wird, und die volumenmäßige Änderung der zentralen Kammer 180 (Pig. 5c) folgt, abhängig von der Gestalt der Zündkerzen-Nockenfläche 140 (Fig. 1a), einem im voraus festgelegten Plan. Im Bedarfsfall kann das Volumen der zentralen Kammer 180 am Ende des Kolbenhubweges während einer Zeitspanne konstant bleiben. Wenn der bewegbare Kopf 40 und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung I30 beginnen, sich aus der Kammer I80 zurückzuziehen, beginnt die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130, eine im voraus bestimmte Kraftstoffmenge der gasförmigen Ladung zuzuführen, die in der zentralen Kammer I8O verdichtet worden ist.

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Der Kraftstoff, der in einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, die mit der Kolben-Zylinder-Baugruppe nach der Erfindung ausgestattet ist, kann Otto-Kraftstoff, Diesel-Kraftstoff oder irgendein anderer geeigneter Brennstoff sein. Für das beschriebene Beispiel kann die gasförmige Ladung aus atmosphärischer Luft bestehen, die mit dem Kraftstoff vermischt wird.

Bei fortgesetzter Bewegung des Kolbens 36 in Richtung seiner oberen Totpunktlage ziehen sich der bewegbare Kopf 40 und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 sogar noch weiter aus der zentralen Kammer 180 zurück (sh. Fig. 5d, in der seine voll zurückgezogene Stellung mit strichpunktierten Linien eingezeichnet ist). Diese Rückzugsbewegung des bewegbaren Kopfes 40 beendet den Einspritztakt, der notwendig ist, um eine Kraftstoffmenge völlig in die zentrale Kammer 180 einzuspritzen und das Mischen mit der darin bereits befindlichen gasförmigen Ladung hervorzurufen. Wenn sich der bewegbare Kopf 40 vom sich vorschiebenden Kolben 36 weg bewegt, legt er außerdem die Öffnungen 50 in der zylindrischen Wand 46 des Zylinders 34 frei. Auf diese Weise wird Fluidverbindung zwischen der zentralen Kammer 180 und der kreisringförmigen Kammer 82 hergestellt. Nach Beendigung des Kraftstoffeinspritztaktes bewegen sich der bewegbare Kopf 40 und die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 auf den Kolben 36 zu, um das Gemisch aus brennbarem Kraftstoff und der gasförmigen Ladung weiter zu verdichten und das Gemisch aus der zentralen Kammer 180 durch die Öffnungen 50 hindurch zur kreisringförmigen Kammer 82 auszustoßen.

Die eigentliche Zündung des brennbaren Gemische kann durch Eigenzündung infolge des Temperaturanstiegs in der gasförmigen Ladung erfolgen, der während der Verdichtung eintritt. Eine andere Möglichkeit zum Zünden des brennbaren Gemischs besteht darin, in der kreisringförmigen Kammer eine nicht gezeichnete geeignete, herkömmliche Zündkerze anzuordnen.

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Nach dem Zünden des brennbaren Gemische haben die Verbrennungsprodukte, die gebildet werden, höheren Druck und höhere Temperatur und dehnen sich aus, indem sie den Kolben 36 nach unten schieben (Fig. 5e), und zwingen auf Grund der Verbindung mit der Kurbelwelle 16 dieser Drehbewegung auf. Die kreisringförmige Kammer 82 ist so bemessen, daß, wenn sich der Kolben 36 in der unteren Totpunktlage befindet, das Volumen der Kammer 82 die Reduzierung des Druckes der Verbrennungsprodukte auf Umgebungsdruck zuläßt.

Im Bedarfsfall kann die Kammer 82 so bemessen sein, daß der Druck der Verbrennungsprodukte auf einen niedrigeren Wert als Umgebungsdruck vermindert wird. Im letzteren Falle müßte das Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine geschlossen sein und eine Verbindung mit der kreisringförmigen Kammer 82 an einer ihrer unteren Totpunktlage entsprechenden Stelle haben, so daß der Druck des Kurbelgehäuses auf den Druck reduziert werden könnte, der in voll entspanntem Zustand am Ende des Kolbenhubweges im unteren Totpunkt herrscht. Eine solche Verbindung kann beispielsweise dadurch geschaffen sein, daß eine Leitung 190 (Fig. 2) am feststehenden Zylinder 34 an einer Stelle knapp über der unteren Totpunktlage des Kolbens 36 angeschlossen ist.

Nach dem Entspannen der Verbrennungsprodukte bewegt sich das Auslaßventil 62 (Fig. 5b) vertikal nach unten, um zwischen der Auspuffanlage und der kreisringförmigen Kammer 82 Verbindung herzustellen. Wenn sich der Kolben vertikal nach oben bewegt, werden die verbrauchten Verbrennungsprodukte in der kreisringförmigen Kammer 82 aus dieser ausgestoßen.

In einer Abwandlung der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise könnte der bewegbare Kopf 40 so gesteuert sein, daß Verdichtung nur in der zentralen Kammer 180 stattfindet, Ausdehnen und Ausstoßen jedoch sowohl in der zentralen Kammer 180 als auch in der umgebenden Kammer 82.

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Sowohl die weiter oben in Einzelheiten beschriebene Ausführungsform als auch die vorstehend angegebene abgewandelte Ausführungsform würde die Verwendung der Kolben-Zylinder-Baugruppe in einem thermodynamischen Viertakt-Kreisprozeß gestatten.

Bei Verwendung der Kolben-Zylinder-Baugruppe in einem thermodynamischen Zweitakt- Kreisprozeß können das Einführen oder Einleiten einer frischen Kraftstoffmenge und das Ausdehnen der Verbrennungsprodukte, wie in Fig. 5e dargestellt, gleichzeitig geschehen. Außerdem würden, wie in Fig. 5b dargestellt, das Verdichten einer frischen gasförmigen Ladung und das Ausstoßen von verbrauchten Verbrennungsprodukten ebenfalls gleichzeitig erfolgen.

Im Bedarfsfall kann die Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung mit Turboaufladung oder Überverdichtung ausgeführt sein. Es ist bekannt, daß die Vorverdichtung, die sich aus einer solchen Vorrichtung wie einem Turboauflader oder einem Vorverdichter ergibt, den thermodynamischen

Wirkungsgrad erhöht; eine solche Vorrichtung hat auf diesen Motor die gleiche Wirkung.

Aus elementaren thermodynamischen Überlegungen ergibt sich, daß auf Grund der gegenüber herkömmlichen Hubkolbenmotoren beträchtlich erhöhten volumetrisehen Ausdehnung der Verbrennungsprodukte die Temperatur der Verbrennungsprodukte beim Ausstoßen beträchtlich herabgesetzt ist. Zusätzlich zur Reduzierung der Temperatur werden durch Entspannen der auszustoßenden Produkte auf Umgebungsdruck oder darunter Geräusch erzeugende Druckimpulse oder -stoße in der Auspuffanlage in wesentlichem Umfange, wenn nicht vollständig ausgeschaltet. Somit kann bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Kolben-Zylinder-Baugruppe nach der Erfindung auf einen Schalldämpfer verzichtet werden.

Wenngleich bessere Ausnutzung von Wärmeenergie und Wegfall eines Schalldämpfera wichtig sind, sorgt die Kolben-Zylinder-

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Baugruppe nach der Erfindung auch für einen beträchtlich erhöhten thermodynamisehen Wirkungsgrad. Der ideale thermodynamisehe Wirkungsgrad eines

T - T Otto-Motors kann definiert werden als e = 1 - 4 1 »

worin T- die Auspufftemperatur der entspannten Verbrennungsprodukte ist, T₁ die Temperatur der gasförmigen Ladung beim Einführen in die zentrale Kammer 182, T, die Temperatur der Verbrennungsprodukte nach der Zündung, und T₂ die Temperatur des Gemische unmittelbar vor der Zündung.

Die entsprechende Beziehung für den idealen thermodynamisehen Wirkungsgrad des Diesel-Prozesses ergibt sich

aus der folgenden Gleichung: e = 1 - 4 ~ ^J1 . pur den

k ^T₃ - T₂) Diesel-Prozeß werden die Temperaturen bei den gleichen Punkten gewählt wie beim Otto-Prozeß, und der Wert k ist ein Verhältnis spezifischer Wärmen des Gases.

Der vorstehende Ausdruck zeigt, daß durch Senken der Temperatur der auszustoßenden Produkte - T. - der ideale thermodynamische Wirkungsgrad verbessert wird. Die Bedeutung der in großem Umfang erhöhten Expansion der auszustoßenden Produkte in der Kolben-Zylinder-Baugruppe nach der Erfindung ergibt sich am deutlichsten aus der nachfolgenden Aufstellung, in der ideale Wirkungsgrade für eine herkömmliche Kolben-Zylinder-Baugruppe mit einem Volumenverhältnis 1:1 und eine Kolben-Zylinder-Baugruppe mit einem Volumenverhältnis 8:1 sowohl für Otto-Motoren als auch Diesel-Motoren miteinander verglichen werden. In den Vergleich mit einbezogen ist ein Otto-Prozeß, bei dem die auszustoßenden Produkte auf Atmosphäre ndruck entspannt werden.

In der nachstehenden Aufstellung sind Drücke in Atmosphären, Temperatur in Grad Rankine und Volumina als dimensionslose Relatiwolumina (V_r) durch das anfängliche Volumen V₁ des inneren Zylinders angegeben. Die unteren Indices beziehen sich auf die folgenden Punkte im Kreisprozeß.: tief gestellter Index 1 - Bedingungen vor Verdichtung; tiefgestellter

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Index 2 - Bedingungen nach Verdichtung; tiefgesteliter Index 3 - Bedingungen nach Verbrennung; tiefgestellter Index 4 - Bedingungen nach Expansion.

Außerdem ist die Aufstellung so gestaltet, daß alle Otto-Prozesse das gleiche Verdichtungsverhältnis (V₂ZV₁) von 8:1, beide Diesel-Prozesse ein Verdichtungsverhältnis von 15:1 haben. Die jedem Prozeß (Otto und Diesel) zugeführte Energie ist durch Einstellen des Temperaturanstiegs gleichmäßig gehalten, um die Auswirkung angenommener Gleichdruck- und Gleichraumverbrennung zu zeigen. Unter der letzteren Annahme ist die während jedes Prozesses züge füllte Kraftstoff menge einheitlich.

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	Otto- Prozeß	Otto-Prozeß (entspannt auf Umgebungs druck)	a	Diesel- Prozeß	2731716
	1,0	1,0	Otto-Prozeß* (entspannt auf unter Umgebungs druck)	1,0	49 620
	580 0R	580 0R	1,0	580 0R	Diesel- Prozeß* (entspannt auf unter Umgebungs druck)
P1	1,0	1,0	580 0R	1,0	1,0
1	14,9	14,9	1,0	33,9	580 0R
Vr1	1082 0R	1082 0R	14,9	1306 0R	1,0
P2	0,125	0,125	1082 0R	0,0666	33,9
T2	42,4	42,4	0,125	33,9	1306 0R
Vr2	3082 0R	3082 0R	42,4	2820 0R	0,0666
P3	0,125	0,140	3082 0R	0,144	33,9
T3	2,84	1,0	0,140	2,73	2820 0R
Vr3	1650 0R	1300 0R	0,222	1575 0R	0,144
P4	1,0	2,49	917 0R	1,0	0,183
T4	0,125	0,125	8,0	0,0666	846 0R
Vr4	1,0	1,12	0,125	2,16	8,0
V2A1	8,0	17,8	1,12	6,95	0,0666
V3A2	1,0	2,49	57,1	1,0	2,16
V4A3			8,0	55,6
V4A1			8,0

1,3

1,3

1,3

1,3

49,55*

Prozesse entsprechend der Praxis der Erfindung.

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Aus der vorstehenden Aufstellung ergibt sich, daß die

Kolben-Zylinder-Baugruppe nach der Erfindung eine beträchtliche Steigerung des thermodynamisehen Wirkungsgrades bewirkt. Wie weiter oben angegeben, kann zudem der Wirkungsgrad durch herkömmliche Turbolade- oder Überverdichtungsverfahren weiter erhöht werden.

Auf Grund des verhältnismäßig kleinen Flächeninhaltes der zweiten Kolbenfläche 84, wird zum Verdichten der in die zweite Kammer 180 eingeleiteten gasförmigen Ladung eine kleinere Kraft benötigt. Es ergibt sich ein Vorteil daraus, daß diese kleinere Kraft weniger Energie benötigt; dies trägt zur Steigerung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses bei

Dadurch, daß man die Kolben-Zylinder-Baugruppe 12a, 12b, 12c oder 12d die Verbrennungsprodukte auf im wesentlichen atmosphärischen Druck entspannen läßt, oder durch Entlüften des Kurbelgehäuses zum Zylinder 34, so daß der Kurbelgehäusedruck auf unter atmosphärischen Druck vermindert wird, kann außerdem der mit einer herkömmlichen Schalldämpferanlage verbundene Rück- oder Gegendruck im wesentlichen ausgeschaltet werden.

Zudem sind auf Grund der beträchtlich herabgesetzten Auspuffgastemperaturen die Temperaturen von Metallteilen des Zylinders 34, des bewegbaren Kopfes 40 und des Kolbens 36 beträchtlich vermindert. Die niedrige Auspufftemperatür gestattet die Verwendung der Metallwerkstoffe ohne Flüssigkeitskühlung, woraus sich ein kleinerer Motorblock ergibt, da Kühlkanäle weggelassen werden können. Hinzu kommt, daß die niedrigeren Temperaturen den Einsatz von verhältnismäßig leichteren Werkstoffen als die bisher benutzten gestatten. Selbstverständlich ist ein kleinerer Motorblock auch dadurch von Vorteil, daß er ein beträchtlich geringeres Gewicht hat. Somit ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Kolben-Zylinder-Baugruppe nach der Erfindung zur Verwendung in den Fällen umstellbar, wo ein Leichtmotor benötigt wird.

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Ein anderes vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Kraftstoff und der gasförmige Sauerstoffträger vollständiger verbrannt werden, was sich aus einer längeren Aufenthaltsdauer in der entspannenden Kammer 82 und aus dem anteilmäßig größeren Raum ergibt, der für das Entspannen zur Verfügung steht.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Erfindung daraus, daß sich das Verdichtungsverhältnis der zentralen Kammer 180 durch entsprechende Auslegung der sich drehenden Zündkerzen-Nockenfläche 140 an der Nockenwelle 20 bequem einstellen läßt.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist der verminderte Rückdruck auf die Kolben 36, welcher erzeugt werden kann, wenn das Kurbelgehäuse durch Entlüften zum Zylinder 34 am oder nahe dem unteren Totpunkt auf einen Druck unter Atmosphärendruck evakuiert wird. Auf diese Weise wird der Druckunterschied an der ersten Kolbenfläche 80 während des gesamten Arbeitshubes des Kolbens 36 erhöht.

Die Kolben-Zylinder-Baugruppe findet nicht nur vorteilhafte Verwendung in neuen Verbrennungskraftmaschinen, sondern ist auch zum Nachrüsten bestehender Motoren mit freiliegenden Zylindern gut geeignet. Nach Entfernen des alten Zylinders und Kolbens ist in diesem Falle die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Baugruppe ohne Schwierigkeiten einbaubar. Die einzige weitere Abänderung, die notwendig ist, besteht im Anbau der Ventilbetätigung über die Nockenwelle 20.

Eine weitere mögliche Abwandlung besteht darin, durch Ausstatten der Kolben-Zylinder-Baugruppe mit einer zweckdienlichen herkömmlichen Zündkerzen-Zündanlage die tatsächliche Verbrennung der Ladung in der äußeren Kammer 82 stattfinden zu lassen. Außerdem kann die im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform beschriebene Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 130 durch eine entsprechende Vorrichtung zum Vergasen eines brennbaren Gemische ersetzt werden, das während des Einlaßtaktes in die zweite Kammer 180 eingeleitet wird.

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Claims (22)

1. ANSPRÜCHE

   Kolben-Zylinder-Baugruppe zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch

   - einen Zylinder (34) mit einer*Wand (46), die von einer Öffnung (50) durchsetzt ist,

   - einen Kolben (36), der verschiebbar so angeordnet ist, daß er mit einem Hubweg relativ zum Zylinder (34) hin- und herbewegbar ist, mit einer ersten Kolbenfläche (80) von einem ersten Flächeninhalt, die im Zusammenwirken mit dem Zylinder (34) eine erste Kammer (82) begrenzt, einer zweiten Kolbenfläche (84) von einem zweiten Flächeninhalt, der beträchtlich kleiner ist als der erste Flächeninhalt, und mit einer die erste Kolbenfläche (80) von der zweiten Kolbenfläche (84) trennenden Nut (86), welche eine den Hubwng übar^teigende Tiefe hat und während der Hin- und Herbewegung des Kolbens (36) die innere Wand (46) aufzunehmen vermag,

   - und durch einen am Zylinder (34) verschiebbar angeordneten hin- und herbewegbaren Kopf (40), der im Zusammenwirken mit der zweiten Kolbenfläche (84) und dem Zylinder (34) eine zweite Kammer (180) begrenzt, durch Öffnen und Schließen der Öffnung (50) nach Art eines Steuerkolbens die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer (82, 180) zu steuern vermag und sich aus der zweiten Kammer (180) zurückzuziehen vermag, wenn die zweite Kolbenfläche (84) in diese eindringt, um so einen im voraus bestimmten Volumenplan der zweiten Kammer (180) einzuhalten, bis sich die Öffnung (50) öffnet, um Verbindung mit der ersten Kammer (82) herzustellen.

   *zu seiner äußeren Wand (56) parallelen inneren

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   ORIGINAL INSPECTED

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2. 2. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Kolbenfläche (84) im wesentlichen kreisrund ist, und daß die erste Kolbenfläche (80) im wesentlichen kreisringförmig und konzentrisch zur zweiten Kolbenfläche (84) ist.
3. 3. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Zündvorrichtung aufweist, die mit der zweiten Kammer (180) in Verbindung steht und ein brennbares Gemisch darin zu zünden vermag.
4. 4. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gek ennzeichnet , daß die Zündvorrichtung eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (I30) ist, die im hin- und herbewegbaren Kopf (40) angeordnet ist und bei Bewegung des Kopfes (40) Kraftstoff in die zweite Kammer (180) einzuspritzen vermag.
5. 5. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Kammer (82) ein erstes Volumen und die zweite Kammer (I8O) ein zweites Volumen hat, daß das erste und das zweite Volumen bei Hin- und Herbewegung des Kolbens (36) zwischen Maximum- und Minimumwerten veränderbar sind, und daß das erste Volumen so gewählt ist, daß der Druck von sich in der ersten Kammer (82) ausdehnenden Verbrennungsprodukten wenigstens auf im wesentlichen Umgebungsdruck vermindert wird, wenn die erste Kammer (82) ihr Maximalvolumen erreicht, um die Temperatur der Verbrennungsprodukte zu erniedrigen und den Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu erhöhen.
6. 6. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Volumen so gewählt ist, daß der Druck von sich ausdehnenden Verbrennungsprodukten im ersten Volumen auf einen Wert unter Umgebungsdruck vermindert wird.

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7. 7. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1, die einen hohen Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses zu erzeugen vermag» für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer kolbengetriebenen Kraftabtriebswelle und einer sich drehenden Nockenwelle, gekennzeichnet durch

   - einen Kolben (36), der für hin- und hergehende Hubbewegung mit der Kraftabtriebswelle (18) betriebsmäßig verbunden ist, eine erste Kolbenfläche (80) von einem ersten Flächeninhalt, eine zweite Kolbenfläche (84) von einem zweiten Flächeninhalt, der beträchtlich kleiner ist als der erste Flächeninhalt, und eine die erste von der zweiten Kolbenfläche (80,84) trennende Nut (86) hat, die eine den Hubweg übersteigende Tiefe aufweist,

   - einen Zylinder (34) mit einer in der Nut (86) aufgenommenen Wand (46) und einer die Wand (46) durchsetzenden Öffnung (50), der durch Zusammenwirken mit der ersten Kolbenfläche (8o) eine erste Kammer (82) zum Entspannen und Ausstoßen von Verbrennungsprodukten begrenzt,

   - und durch einen hin- und herbewegbaren Kopf (40), der durch Zusammenwirken mit der weiten Kolbenfläche (84) und dem Zylinder (34) eine zweite Kammer (180) zum Einführen und Verdichten eines gasförmigen Gemische begrenzt, der die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer (82,180) durch Öffnen und Schließen der Öffnung (50) nach Art eines Ventils zu steuern vermag und sich aus der zweiten Kammer (180) zurückzuziehen vermag, wenn die zweite Kolbenfläche (84) in diese eindringt, um ein im voraus bestimmtes Teilvolumen der zweiten Kammer (180) aufrechtzuerhalten, bis sich die Öffnung (50) öffnet, um Verbindung mit der ersten Kammer (82) herzustellen.
8. 8. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Kammer (82) ein Volumen hat, das so gewählt ist, daß sich Verbrennungsprodukte auf einen Druckwert entspannen können, der wenigstens so niedrig ist wie der Umgebungsdruck.

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9. 9. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Kammer (82) ein Volumen hat, das das Volumen der zweiten Kammer (180) beträchtlich übersteigt, wenn sich der Kolben (36) in der unteren Totpunktlage befindet.
10. 10. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1, die einen hohen Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses zu erzeugen vermag, für eine Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschine mit einer kolbengetriebenen Kraftabtriebswelle und einer sich drehenden Nockenwelle, gekennzeichnet durch

    - einen Kolben (36), der für hin- und hergehende Hubbewegung mit der Kraftabtriebswelle (18) betriebsmäßig verbunden ist, eine erste Kolbenfläche (80) von einem ersten Flächeninhalt, eine zweite Kolbenfläche (84) von einem zweiten Flächeninhalt, der beträchtlich kleiner ist als der erste Flächeninhalt, und eine die erste von der zweiten Kolbenfläche (80,84) trennende Nut (86) hat, die eine den Hubweg übersteigende Tiefe aufweist,

    - einen Zylinder (34) mit einer in der Nut (86) aufgenommenen Wand (46) und einer die Wand (46) durchsetzenden Öffnung (50), der durch Zusammenwirken mit der ersten Kolbenfläche (8o) eine erste Kammer (82) zum Entspannen und Ausstoßen von Verbrennungsprodukten begrenzt,

    - und durch einen hin- und herbewegbaren Kopf (40), der durch Zusammenwirken mit der zweiten Kolbenfläche (84) und dem Zylinder (34) eine zweite Kammer (180) zum Einführen und Verdichten eines gasförmigen Gemische begrenzt, der die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer (82,180) durch Öffnen und Schließen der Öffnung (50) nach Art eines Steuerkolbens zusteuern vermag und sich aus der zweiten Kammer (180) zurückzuziehen vermag, wenn die zweite Kolbenfläche (84) in diese eindringt, um ein im voraus bestimmtes Teilvolumen der zweiten Kammer (180) aufrechtzuerhalten, bis die Öffnung (50) freigegeben wird, um Verbindung mit der ersten Kammer (82) herzustellen.

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11. 11. Verfahren zum Gewinnen von Nutzarbeit aus einer gasförmigen Ladung und Kraftstoff in einer Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 für eine Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß

    - eine gasförmige Ladung in eine von einem Kolben (36)» einem Zylinder (46) und einem bewegbaren Kopf (40) begrenzte zentrale Kammer (I80) eingeführt wird,

    - die gasförmige Ladung durch Bewegen des Kolbens (36) in die zentrale Kammer (180) verdichtet wird,

    - eine Kraftstoffmenge der Kammer (I8O) zugeführt wird, um mit der gasförmigen Ladung ein brennbares Gemisch zu erzeugen,

    - der bewegbare Kopf (40) bewegt wird, um in der zentralen Kammer (I8O) einen im voraus bestimmten Verdichtungs-Verlaufs . einzuhalten,

    - das brennbare Gemisch aus der gasförmigen Ladung und der Kraftstoffmenge gezündet wird, um Temperatur und Druck von entstehenden Verbrennungsprodukten zu erhöhen,

    - wenigstens ein Teil der Verbrennungsprodukte aus der zentralen Kammer (I80) zu einer umgebenden Kammer (82) übergeleitet wird, die vom Zylinder (34) und einer zugehörigen zweiten Kolberfläche (84)" begrenzt ist,

    - die Verbrennungsprodukte in der umgebenden Kammer (82) dadurch auf Atmosphärendruck entspannt werden, daß zugelasser, wird, daß die Verbrennungsprodukte gegen die mit einer Arbeit leistenden Welle (Kurbelwelle 16) verbundenen zweiten Kolbenflache drücken,

    - und daß die sich entspannenden Verbrennungsprodukte aus der umgebenden Kammer (82) ausgestoßen werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß im wesentlichen alle Verbrennungsprodukte übergeleitet werden, daß das Einführen und Entspannen gleichzeitig st^tfinden, und daß das Verdichten und das Ausstoßen gleichzeitig stattfinden, so daß die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Zweitakt-Kreisprozeß arbeitet.

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13. 13· Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Entspannen und das Ausstoßen sowohl in der zentaLen Kammer (180) als aich in der umgebenden Kammer (82) stattfinden, so daß die Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem Viertakt-Kreisprozeß arbeitet.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13» dadurch gekennzeichnet , daß das Einführen und Zuführen gleichzeitig stattfinden, und daß das Zünden durch einen Temperaturanstieg in Verbindung mit dem Verdichten spontan erfolgt, so daß Fremdzündung ausgeschaltet ist.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Zünden durch Erzeugen eines Zündfunkens in der zentralen Kammer (180) von außen eingeleitet wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 11 bis 15» dadurch gekennzeichnet , daß das Zuführen durch Einspritzen der Kraftstoffmenge direkt in die zentrale Kammer (180) in einer Endphase des Verdichtens stattfindet, um ein brennbares Gemisch zu bilden.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß das Zünden infolge eines Temperaturanstieges in Verbindung mit dem Verdichten spontan erfolgt, so daß Fremdzündung ausgeschaltet ist.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17» dadurch gekennzeichnet , daß das Zünden durch Erzeugen eines Zündfunkens in der zentralen Kammer (180) von außen eingeleitet wird.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Entspannen das Erniedrigen des Druckes von Verbrennungsprodukten auf einen

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    Wert unter Atmosphärendruck einschließt, um den auf den zweiten Kolben wirkenden Druckunterschied zu erhöhen.
20. 20. Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades eines Kreisprozesses einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß

    - ein anfängliches Gasvolumen auf einen im voraus bestimmten Bruchteil des anfänglichen Volumens in einer Kolben-Zylinder-Baugruppe verdichtet wird,

    - durch Zusetzen von Kraftstoff zum Gas ein brennbares Gemisch gebildet wird,

    - das verdichtete brennbare Gemisch zu einer zweiten Kolben-Zylinder-Baugruppe übergeleitet wird,

    - die brennbare Ladung gezündet wird, um Verbrennungsprodukte mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zu erzeugen,

    - und daß durch Entspannen der Verbrennungsprodukte auf ein Volumen, das beträchtlich größer ist als das anfängliche Volumen, bei gleichzeitigem Senken der Temperatur der Verbrennungsprodukte der Druck der Verbrennungsprodukte in der zweiten Kolben-Zylinder-Baugruppe auf im wesentlichen Umgebungsdruck erniedrigt wird.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Gemisch vor dem Verdichten gebildet wird, so daß bei Kraftfahrzeugen übliche Vergasung angewandt werden kann.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet , daß das Gemisch nach Beginn der Verdichtung gebildet wird, so daß vergleichsweise hohe Verdichtungsverhältnisse erzielt werden können, ohne daß Eigenzündung des Gemischs eintritt.

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