DE2745902C2

DE2745902C2 - Brennkraftmaschine mit Luftspeicher

Info

Publication number: DE2745902C2
Application number: DE19772745902
Authority: DE
Inventors: Richard Florencio Annapolis Blaser, Md.; Andrew Alexander Prof. Edgewater Pouring, Md.
Original assignee: Heat Balanced Engines, Ltd., Edgewater, Md.
Current assignee: Sonex Research Inc
Priority date: 1976-10-19
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1987-01-29
Also published as: FR2368609A1; IT1090515B; BR7706997A; GB1591124A; ES463354A1; FR2368609B3; SE435412B; JPS6110650B2; DE2745923C2; FR2368610A1; DE2745902A1; ES463353A1; DE2745923A1; BR7706996A; JPS5351319A; JPS6110649B2; FR2368610B3; CA1133337A; JPS5351318A; CA1096256A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 21 14 901 bekannt. Die Besonderheit dieser Maschine besteht darin, daß unmittelbar nach dem Beginn des Arbeitshubs die Luft aus dem Luftspeicher in die Brennkammer strömt und sich ein Ringventil öffnet, so daß ein überfettes Gemisch von der Zylinderkopf-Unterseite her schlagartig in den Luftstrom eintritt und sich mit diesem so intensiv vermischt, daß nach momentaner Zündung die Verbrennung sehr kurzfristig erfolgen kann. Über die Einleitung des Arbeitshubs ist in der genannten DE-OS allerdings nichts ausgesagt. Die Luft kann nur in die Brennkammer gelangen, nachdem der Kolben mit seiner Abwärtsbewegung begonnen hat und der Druck in der Verbrennungszone ausreichend weit abgefallen ist, damit die in den Luftspeicher enthaltene, komprimierte Luft in die Verbrennungskammer expandieren kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolben- Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Druck während des Expansionsvorgangs in der Brennkammer so gesteuert wird, daß bei verbessertem Wirkungsgrad der Schadstoffausstoß reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion wird erreicht, daß während des Verbrennungsvorgangs dauernd und pulsierend Luft in den Verbrennungsbereich gepumpt wird. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße keilförmige Querschnittsform des Luftspeichers zu hervorragenden Ergebnissen führt und die Trennung der Luft in der Luftkammer von der Haupt-Verbrennungskammer während des Verbrennungsvorgangs unterstützt. Die keilförmige Querschnittsform der Luftkammer fördert und verstärkt die Gasschwingungen, durch welche Luft aus dem Luftspeicher in die Verbrennungszone gepumpt wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Druck-Volumen-Diagramm des Otto-Prozesses,
Fig. 2 das Druck-Volumen-Diagramm des Diesel-Prozesses,
Fig. 3 das Druck-Volumen-Diagramm des beanspruchten Prozesses,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kolbens einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.
Fig. 1 zeigt das Druck-Volumen-Diagramm des Otto-Prozesses. Ausgehend vom Punkt a wird Luft unter Atmosphärendruck in einem Zylinder adiabatisch auf den Punkt b komprimiert, und bei gleichem Volumen auf den Punkt c erhitzt. Dann erfolgt eine adiabatische Expansion auf den Punkt d und schließlich eine bei konstantem Volumen erfolgende Abkühlung auf den Punkt a. Danach wiederholt sich der Prozeß. Die Linie ab entspricht dem Kompressionshub, cb der Explosion, cd dem Arbeitshub und da dem Ausstoßhub einer Brennkraftmaschine. V ₁ und V ₂ sind die maximalen bzw. minimalen Luftvolumen im Zylinder. Das Verhältnis von V ₁ zu V ₂ ist das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschine. Man bezeichnet den Otto-Prozeß auch als Gleichraum-Prozeß.
Fig. 2 zeigt den auch als Gleichdruck-Prozeß bezeichneten Diesel-Prozeß, da sich beim Kompressionshub im Zylinder einer Dieselmaschine kein Kraftstoff befindet, können keine Frühzündungen auftreten und die Kompressionsverhältnisse sehr viel höher sein als die eines Otto-Motors. Es läßt sich daher ein etwas günstigerer Wirkungsgrad erzielen als beim Otto-Prozeß.
Fig. 3 zeigt nun den beanspruchten Prozeß, dem die gleiche Wärmemenge Q zugrundeliegt wie bei den oben beschriebenen beiden Prozessen. Die Linie ab entspricht der adiabatischen Kompression, bcc&min; der Wärmezufuhr, wobei bc den Teil der Wärme zeigt, der bei konstanten Volumen und cc&min; den verbleibenden Teil der Wärme zeigt, der bei konstantem Druck zugeführt wird. cd bezeichnet die adiabatische Expansion und da den Auspuff. Die Wärmemenge Q ist in zwei Teilmengen aufgeteilt, den Teil AQ bei konstantem Volumen und den Teil BQ bei konstantem Druck.
In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet LQ die jeweils abgeführte Wärmemenge. Durch das Verhältnis der Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärmemenge zu der zugeführten Wärmemenge läßt sich der Wirkungsgrad errechnen. Es zeigt sich, daß bei dem beanspruchten Prozeß ein sehr guter Wirkungsgrad erzielt wird.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Luftspeichers dargestellt, der an einem Kolben einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und bewirkt, daß die Maschine nicht mehr im Otto-Prozeß, sondern in einem verbesserten Viertaktprozeß arbeitet. Die Zylinderkammer für einen hin- und hergehenden Kolben 14 wird vom Motorgehäuse 10 gebildet. Der Kolben 14 ist mit einem Kolbenbolzen 13 an einer Pleuelstange 11 befestigt. Die Pleuelstange 11 ist mit der Kurbelwelle 12 über ein Lager verbunden, welches eine Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 14 in eine rotierende mechanische Bewegung ermöglicht, die dazu verwendet werden kann, Maschinen, ein Kraftfahrzeug oder eine ähnliche Einrichtung anzutreiben oder sonstige Arbeit zu verrichten.
Die innere Wand des Motorgehäuses 10, die am Kolben 14 anliegt, bildet eine Zylinderwand 36, die mit Kolbenringen 15 in Berührung steht, um zwischen dem sich bewegenden Kolben 14 und der Zylinderwand 36 eine gasdichte Passung zu bilden, die ein Entweichen des unter hohem Druck stehenden Gases verhindern soll, das durch den in der Brennkammer 39 verbrennenden Kraftstoff erzeugt wird. Am Motorgehäuse 10 ist ein Zylinderkopf 37 angeordnet, dessen innere, zurückgesetzte Bereiche zusammen mit dem obersten Teil des Motorgehäuses 10 eine geschlossene Brennkammer bilden. Der Zylinderkopf 37 weist zwei Öffnungen, Einlaß und Auslaß, auf, die mittels eines Auslaßventils 23 und eines Einlaßventils 28 geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Ventile werden in zeitlicher Abhängigkeit des sich hin- und herbewegenden Kolbens 14 über Ventilhebel, Stößelstangen, Nockenwellen und dergl. (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen, so daß die Brennkraftmaschine in einem Viertakt-Otto-Prozeß arbeitet.
Eine Zündkerze 24 ist im Zylinderkopf 37 in bekannter Art und Weise angeordnet und erzeugt in der Brennkammer 38 in geeigneter zeitlicher Reihenfolge mit den anderen Elementen des Motors einen Funken, der den in der Brennkammer 38 befindlichen Kraftstoff entzündet, welcher schließlich die Kraft zum Treiben des Kolbens 14 liefert.
Ein scheibenförmiges Element 19 ist auf der Oberseite des Kolbens 14 mittels einer Niete, eines Bolzens oder eines ähnlichen Befestigungsmittels befestigt. Das scheibenförmige Element 19 ist pilzförmig mit einem mittig angeordneten dicken zylindrischen Schaft, dessen eine Kreisfläche mit einer entsprechenden Kreisfläche des Kolbens 14 in Berührung steht. An die andere Kreisfläche des Schaftes 17 ist eine relativ dünne zylindrische Kappe 20 einstückig angeformt, deren umfänglicher Rand von der Zylinderwand 36 einen bestimmten Abstand aufweist. Die verbleibende Fläche des Kolbens 14, die Höhe des Schaftes 17 und die Innenfläche der Kappe 20 bilden eine Ringnut 16, die mit der Brennkammer nur über einen Spalt oder Kanal 18 in Verbindung steht. Der Spalt 18 wird einerseits durch die innere Zylinderwand und andererseits durch die Kante der Kappe 20 bestimmt, die sich um den gesamten Umfang der Kappe oder nur einen Teil des Umfangs der Kappe herum erstreckt.
Die Ringnut ist auf ihrer Unterseite durch die Kolbenringe 15 abgedichtet und wird somit von einem Teil der Oberfläche des Kolbens 14, einem Bereich der Innenfläche von Kappe 20 und der zylindrischen Wand des Schaftes 17 gebildet.
Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens 14 mit einer Ringnut 16, die einen schräg verlaufenden Wandabschnitt aufweist. Der schräg verlaufende Wandabschnitt ist die der Ringnut 16 zugeordnete Oberfläche des ringförmigen Wandabschnitts. Aufgrund der speziellen Form der Ringnut wird an dem Kolben eine kegelstumpfförmige Kappe 42 gebildet.
Die Brennkraftmaschine arbeitet wie folgt: Beim Abwärtshub des Kolbens 14 vergrößert sich der Raum oberhalb des Kolbens, so daß Luft in die Brennkammer einströmt. Die zunächst in die Brennkammer 38 eintretende Luft ist diejenige Luftmenge, die sich in der Ansaugleitung befand und die über den Lufteinlaß 26 (Fig. 4) weiterhin ergänzt wurde, solange in der Venturidüse 35 das Vakuum nicht hoch genug ist, um kraftstoffreiche Luft in die Zylinderkammer hineinzuziehen. Wenn der Kolben 14 seinen unteren Totpunkt erreicht, ist die Brennkammer mit einer Luftladung gefüllt, die vom Zylinderkopf 37 bis zum Kolben 14 unterschiedlich stark mit Kraftstoff beladen ist. Die Ladung in der Nähe des Zylinderkopfs ist sehr reich an Kraftstoff und magert nach unten mehr und mehr ab, wobei in der Nähe der Oberfläche des Kolbens und innerhalb der Ringnut 16 praktisch kein Kraftstoff mehr vorhanden ist.
Nach Beendigung des Saughubs bewegt sich der Kolben nach oben und komprimiert das Luft-Kraftstoffgemisch. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens strömt eine gewisse Menge sehr mageren Luft-Kraftstoffgemisches in die Ringnut 16. Während des Betriebes erhitzen die verbrannten Gase die Kappe 19, die somit als zusätzlicher Wärmetauscher fungiert und wiederum das Kraftstoffgemisch während der Kompression erhitzt, wenn das Gemisch um die Kappe herum strömt.
Das komprimierte Luft-Kraftstoffgemisch wird durch einen Funken gezündet, so daß der Kolben 14 nach unten getrieben wird. Der Druckanstieg bei quasi konstantem Volumen (Linie bc in Fig. 3) treibt eine Druckwelle durch den Spalt 18 in die Ringnut 16, wodurch die Luftfüllung an den inneren Wänden der Ringnut 16 komprimiert wird. Gleichzeitig erreicht die von der Verbrennung der Gase erzeugte Expansionswelle, welche die Druckwelle treibt, den Raum zwischen der Oberseite des Kolbens 14 und dem Zylinderkopf 37 und erniedrigt den Druck in der Verbrennungskammer 38. Infolge der schlagartigen Kompression des sehr mageren, im wesentlichen kraftstofffreien Gemisches in der Ringnut 16 tritt ein Druckungleichgewicht auf, durch welches in der Ringnut 16 befindliche, magere Luft über den Spalt 18 in die Brennkammer 38 strömt. Dieser Vorgang entspricht der Linie cc&min;. Es handelt sich also um einen Teil der Verbrennung bei quasi konstantem Druck.
Das Zusammenwirken der als Luftspeicher dienenden Ringnut 16 mit der Brennkammer 38 ist von entscheidender Bedeutung für den Arbeitsprozeß des Motors. Um die erwünschte oszillierende Wirkung der Druckwellen und das damit einhergehende Pumpen der Luft aus der Ringnut 16 zu erzielen, stehen das Volumen der Brennkammer, das Volumen der Ringnut 16 und der Spalt 18 in einem bestimmten Verhältnis. Die Faktoren der Teilwärmemengen gemäß Fig. 3 bilden eine Summe von 1 (A + B = 1). Man definiert ein Ausgleichsverhältnis β = B/A. Bei einer Brennkraftmaschine liegt das Verhältnis normalerweise im Bereich von 0,2 bis 3,0. Die Breite des Spalts 18 sollte etwa in der Größenordnung von 1,27 mm bis 5,08 mm liegen. Der untere Wert gilt dabei für Zylinder für Automotoren mit Standartgröße, die höheren Werte gelten besonders für Selbstzünder.

Claims

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, die durch die Oberfläche eines Kolbens und die umgebenden Wände eines Zylinders sowie eines Zylinderkopfes begrenzt ist, mit Kolbenringen, die in an sich bekannter Weise zwischen dem Kolben und der Zylinderwand angeordnet sind, mit einem ringförmigen Luftspeicher konstanten Volumens, welcher als Hohlraum im Kolben angeordnet und über einem ringförmigen Spalt mit der Brennkammer verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicher als Ringnut (16) in der Seitenwand des Kolbens (14) angeordnet ist und mit der Oberfläche des Kolbens einen radial gerichteten, ringförmigen Wandabschnitt bildet, daß die der Ringnut zugeordnete Oberfläche des Wandabschnitts bezüglich der Oberfläche des Kolbens (14) schräg verläuft, wobei sich die Querschnittsfläche des Wandabschnitts in Richtung zur Zylinderwand verjüngt, daß der ringförmige Spalt (18) zwischen der Zylinderwand und dem Wandabschnitt gebildet ist, daß während des Expansionsvorganges beim Zünden eines Kraftstoffgemisches in der Brennkammer Gasschwingungen zwischen dem Luftspeicher und der Brennkammer erregt werden, die im Verlauf des Expansionsvorganges zusätzlich Luft aus dem Luftspeicher in die Brennkammer pumpen.