DE2745921A1

DE2745921A1 - Brennkraftmaschine mit heizkammer

Info

Publication number: DE2745921A1
Application number: DE19772745921
Authority: DE
Inventors: Georg Karl Buergel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-26
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-04-27
Also published as: US4096689A

Description

27A5921

-A-

Brennkraftmaschine mit Heizkammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem darin verschiebbaren Kolben, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt und mit einer Heizkammer, die mit dem Brennraum über einen Kanal in Verbindung steht.

Tn der US-PS 3 994 135 des Anmelders ist eine derartige Brennkraftmaschine beschrieben. In der UT-Stellung des Kolbens wird der Zylinder mittels einer Spülluftpumpe gespült und mit Frischluft gefüllt, wie dies bei Zweitaktmotoren üblich ist. Die Frischluft wird durch den hochgehenden Kolben komprimiert. Sobald der Kolben an der Stelle angekommen ist, an der die gewünschte Kompression erreicht ist, wird ein Schlitz freigegeben, der den Raum über dem Kolben mit dem Inneren der Heizkammer in Verbindung bringt, dip nahe am Zylinder angeordnet ist. Der Kolben bewegt sich weiter nach oben und drückt die ganze komprimierte Luft aus dem Zylinder durch den Verbindungskanal in die Heizkammer. Mehrere Zylinder können an eine Heizkammer angeschlossen werden. Luft, die in die Heizkammer gedrückt wird, erreicht im Verbindungskanal eine hohe Geschwindigkeit und schießt in Form eines scharfen Strahles weit in den hinteren Bereich der Heizkammer hinein, wo sie auf eine dauernd brennende Flamme trifft, die durch eingespritzten Kraftstoff aufrechterhalten wird. Die Wände der Heizkammer sind mit einer dicken Schicht aus Zirkoniuoxid belegt, das einen sehr guten Wärmeisolator darstellt und hohe Temperaturen (bis 2400⁰C) aushalten kann. Die komprimierte Luft in der Heizkammer kann daher bis auf 1500⁰C oder sogar bis auf 2000⁰C aufgeheizt werden, \;:\x mehr als das 2- bis 3-fache der Temperatur der eingeblasoner komprimierten Luft ist.

Sobald der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, kehrt er seine ßewegungsrichtung um und der Raum über dem Kolben vergrößert

809817/0718

sich wieder. Der Verbindungskanal, der den Raum über dem Kolben mit dem Inneren der Heizkammer verbindet, bleibt offen, bis dor Kolben dieselbe Stellung erreicht hat, in der vorher der Vorbindungskanal freigegeben wurde. Daher strömt nun heißes Gas in den Zylinder und füllt den Raum oberhalb des Kolbens. Dieses On; stammt von dem vorderen Bereich der Heizkammer, in welchem der Verbindungskanal mündet.

Das gleiche Luftgewicht, das vorher in die Heizkammer gedrückt worden war, muß auch wieder aus der Heizkammer herauskommen, da die Heizkammer keinen anderen Ausgang hat. Da aber die in die fleizkammer eingeblasene Luft eine viel tiefere Temperatur hatte, hatte sie auch ein viel kleineres spezifisches Volumen. Um dasselbe Luftgewicht wieder aus der Heizkammer herauszubekommen, mufi der Druck bei der höheren Temperatur ebenfalls viel höher sein. Dies hat zur Folge, daß sich der Druck in der Heizkammer so einstellt, daß immer die vorher eingeblasene Luftmenge wieder herauskommt. Dieser Druck ist viel höher als der Kompressionsdruck bei den üblichen Verdichtungsverhältnissen zwischen 1:6 und 1:10. Wenn daher der Verbindungskanal in dieser Stellung des Kolbens freigegeben wird, findet ein kurzer Druckausgleich zwischen der Heizkammer und dem Zylinderraum statt, der den Druck über dem Kolben im wesentlichen auf den Druck in der Heizkammer bringt. Der Kolben bewegt sich jedoch weiter und schiebt trotzdem den ganzen Zylinderinhalt gegen den höheren Druck in die Zündkammer. Die Arbeitsleistung, die dazu nötig ist, wird zurückgewonnen, wenn dor Kolben dasselbe kurze Teilstück seines Hubes wieder nach unten geht. Das in den Zylinder eingeströmte Gas ist nun viel heißer. Die Einströmung wird unterbrochen, wenn der Verbindungskanal abgesperrt ist. Von diesem Moment an findet die Expansion statt.

Bei einer derartigen Brennkraftmaschine bietet die Steuerung zwischen Brennraum und Heizkammer gewisse Schwierigkeiten. Das Freigeben und Absperren der Verbindung zwischen Brennraum und Heizkammer während eines sehr kleinen Teils des Kolbenweges erfordert eine sehr hohe öffnungs- und Schließgeschwindigkeit, insbesondere

809817/0718

bei hohen Drehzahlen. Tellerventile sind hierfür nicht geeignet und auch hinsichtlich ihrer Betätigung aufwendig und kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu machen, bei welcher die Steuerung des Verbindungskanals zwischen Brennraum und Heizkammer auf relativ einfache Weise verwirklicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Kolben ein Schieber angesetzt ist, der den Verbindungskanal steuert und daß der Kanal so angeordnet ist, daß er nur während eines bestimmten Kurbelwinkels vor und nach OT freigegeben, im übrigen jedoch von dem Schieber abgesperrt ist.

Mit einem derartigen Schieber können sehr hohe öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten erreicht werden. Auch ist ein derartiger Schieber geeignet für die Steuerung sehr heißer Gase, da diese nicht über die Dichtflächen streichen. Der Verbindungskanal selbst kann mit hochhitzebeständigem Material von geringer Leitfähigkeit ausgekleidet sein, beispielsweise mit einer Spritzschicht aus 20% Inconel mit 80% Zirkoniumoxidplasma, oder mit einem Keramikeinsatz. Die Dichtfläche des Schiebers bewegt sich zwar an den heißen Gasen vorbei, jedoch zu einem Zeitpunkt, wo die Gase stillstehen. Die Wärmekapazität der berührenden Gasmenge ist daher sehr klein und da sich die der Hitze ausgesetzte Fläche des Schiebers verschiebt, ist die Temperaturerhöhung des Schiebers sehr gering, so daft für ihn sogar Aluminium verwendet werden könnte.

Weiterbildungen des Erfingungsgedankens ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1- einen Querschnitt entlang Linie 1-1 in Fig. 4 durch eine

809817/0718

Einzylinder-Heizkanuner-Brennkraf tntaschine,

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Kolbens, der einen Abdicht: - Schieber trägt,

Fig. 3 eine Ansicht des Kolbens von Fig. 2 von oben, Fig. 4 ein Schnitt entlang Linie 4-4 in Fig. 1,

Fig. 5 ein Schnitt entlang Linie 5-5 in Fig. 6 durch eine Einzylinder-Heizkammer-Brennkraftmaschine ähnlich Fig. 1 mit einer abgewandelten Dichtungsanordnung für den Schieber,

Fig. 6 ein Schnitt entlang Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 ein Querschnitt entlang Linie 7-7 in Fig. 10 durch eine abgewandelte'Abdichtung für den Schieber,

Fig. 8 einen Schnitt entlang Linie 8-8 in Fig. 7,

Fig. 9 einen Schnitt entlang Linie 9-9 in Fig. 7,

Fig. 10 einen Schnitt entlang Linie 10-10 in Fig. 7,

Fig. 11 ein Haarnadel-Dichtelement,

Fig. 12 einen Schnitt entlang Linie 12-12 in Fig. 11, und

Fig. 13 eine End-Ansicht eines Haarnadel-Dichtelements gemäß Fig. 11 und 12 mit Raum für eine Feder.

Wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, trägt der Kolben 14 eine Verlängerung 15, die ein Bestandteil des Kolbens ist, und die an der Wand des Zylinders 16 entlang gleitet. Der Zylinder 16 ist oben durch einen zylindrischen Einsatz 17 geschlossen_fder an einer

809817/0718

Seite einen Ausschnitt 18 hat, welcher die Verlängerung 15 do.t> Kolbens 16 in seiner höchsten Stellung aufnimmt. Der Einsatz 17 ist dicht in den Zylinder 16 eingesetzt und reicht so weit, dnft zwischen dem Kolbenboden und dom Einsatz 17 in der OT-Stcllun<i dos Kolbens 14 fast kein Luftspalt mehr vorhanden ist. Der Einsät?. und der Zylinder 16 sind schräg abgeschnitten, um Gewicht und Material zu sparen. Eine Dockplatte 19 verschließt den Zylinder 16 und den Einsatz 17 nach außen. Der Kolben 14 trägt Kolbeni iiiuc 20, einen ölabstreifring 21 und ist mit der Kurbelwelle durch ein Pleuel 22 verbunden. Der Kolben 14 öffnet in seiner UT-Stellunn zwei Einlaßöffnungen 23 und eine Auslaßöffnung 24. In der Kolbonverlängerung 15 ist ein Schlitz 25 vorgesehen, der in der höchst.on Stellung des Kolbens 14 mit einem Verbindungskanal 26 zur !teilkammer 27 fluchtet. In jeder Stellung des Kolbens 14, ausgenommen in OT, hält die Kolbenverlängerung 15 den Kanal 26 geschlossen.

Um den Kanal 26 wirkungsvoll abzudichten, erstreckt er sich durch einen kleinen Dichtkolben 28, dessen Stirnfläche an die l'umluiw dov Kolbenverlängerung 15 angepaßt ist. Der Dichtkolben 28 wird (lurch den Gasdruck in der Heizkammer 27 an die Oberfläche der Kolbonverlängerung 15 angedrückt. Dor Dichtkolben 28 ist durch Kolbenringe 29 gegenüber seiner Bohrung im Zylinder 16 abgedichtet. Zwischen den Kolbenringen 29 ist eine Ringnut 30 vorgesehen, durch die Drucköl von den Kanälen 31 und 32 zirkuliert für Schmierung, Abdichtung und Kühlung. Der Durchmesser des Dichtkolbens 2" soll so groß wie möglich sein, um einen rocht breiten Kanal 26 zu erhalten und noch Platz zu haben Tür Isoliermaterial wie die Zirkoniumoxidschicht 33.

Die Kolbenverlängerung 15 ist einem einseitigen Druck durch den Dichtkolben 28 ausgesetzt. Diese Kraft kann aufgenommen werden durch den zylindrischen Einsatz 17, da die Kolbenverlängeruim 15 an einer Fläche des Ausschnittes 18 entlanggleitet. Die Seitenkraft kann aber auch aufgenommen werden durch einen anderen kleinen Kolben, den Stützkolben 34, dor in dem zylindrischen Einsatz 17 angeordnet ist. Der Stützkolben 34 ist dem Dichtkolben 28 ähnlich.

809817/0718 Copy

LIr hat ebenfalls Kolbenringe 29 und eine Ringnut 30, die über Kanäle 31 und 32 mit Drucköl für Schmierung, Abdichtung und Kühlung versorgt wird. Die in Fig. 1 linke Stirnflache des Stützkolbens 34 int an die Zylinderinnenfläche der Kolbenverlängerung 15 angepaßt, an die er durch eine schwache Feder 35, aber in erster Linie durch den Druck der Gase, die von der Heizkammer 27 durch die Leitung 36 zur Rückseite des Stützkolbens 34 geführt werden,gedrückt wird. Die Rückseite der Kolbenverlängerung 15 kann auch zur Vereinfachung plan gemacht werden, was jedoch den Nachteil hat, daß der Schlitz 25 in der Kolbenverlängerung etwas länger wird.

Um clic Reibung und Abnutzung zu verringern, ist im Stützkolben 3Ί liine Bohrung 37 und in seiner Stirnfläche eine Aussparung 38 vorgesehen. Dadurch wird der Druck von der Heizkammer 27 direkt an die Kolbenverlängerung 15 gebracht, so daß der größte Teil der Kraft des Dichtkolbens 28 direkt vom Gasdruck aufgenommen wird. Ein kleiner Teil der Kraft wird von dem Rand des Stützkolbens 34 um ctiu Aussparung 38 aufgenommen.

Fiij. 5 und 6 zeigen den Kolben 14, die Kolbenverlängerung 15 und riie Dicht-Elemente in etweis vergrößerter Darstellung. Der' Boden 39 des Kolbens 14 und der Boden 40 des zylindrischen Einsatzes 17 jind mit hitzebeständigem Isoliermaterial gegen Wärmeverlust bedeckt. Das kann hier gemacht werden, da keine Verbrennung in diesem Räume stattfindet und daher keine Kohleablagerungen zu erwarten sind.

üer DLchtkolben 41, der in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, ist durch Schweißung mit einem Stahl-Falten-Balg 42 verbunden, an den wiederum ein Ring 43 angeschweißt ist. Faltenbälge können für hohe Drücke hergestellt werden, besonders wenn sie nur sehr kleine Längenveränderungen auszugleichen haben und dies nur sehr langsam, so daß sie praktisch still stehen. Faltenbälge können auch mehr-(zweibis drei-)schichtig ausgeführt werden. Ein Teil des Innendruckes kann ausgeglichen werden, indem Drucköl von außen durch die Bohrung 44 zugeführt wird. Das ^)I kühlt den Faltenbalg, schmiert die glei-

- 10 -

809817/0718

COPY

27A5921

tende Dichtfläche und fließt unter Druck durch die Bohrung 45 zur Pumpe zurück. Der Dichtkolben 41 trägt einen Kolbenring 46, um zu verhindern, daß zu viel öl zur Schmierung entkommt. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Faltenbalg 42 bei ao.v Montage nur sehr wenig zusammengedrückt wird. Der Innendruck hot die? VJiι-kung, den Faltenbalg zu strecken, wodurch der Dichtkolben 41 mit seiner Stirnfläche dichtend an die Kolbenverlängerung 1^r; angedrückt wird. j ; ^;

Der Stützkolben 47 ist mit einer ähnlichen Abdichtung versehen, nämlich dem Faltenbalg 42 und dem Haltering 43.. Auch hier wir Λ öl unter Druck durch die Bohrungen 48 und 4 9 für Schmierung, Kühlung und-Druckentlastung zugeführt.

Um hohe Drehzahlen der Maschine zu ermöglichen, muß der Verbindungs· kanal 26 so breit wie möglich gemacht werden, jedoch niedrig in der Höhe. Um diese Verbesserung zu erreichen, kann eine Dichtungsanordnung benutzt werden, wie sie in Fig. 7 bis 10 gezeigt ist. Der Dichtkolben 55 hat einen ovalen Querschnitt und ebenso der Verbindungskanal 26, wobei die lange Achse in Umfangsrichtung der Kolbenverlängerung, also senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft. Der Faltenbalg 50, der hier benutzt wird, ist nach Wärmebehandlung quer gestreckt worden, .um die dargestellte Fonn anzunehmen. Die abgeflachten Seiten können den Innendruck aufnehmen, da sie am Gehäuse abgestützt werden. Es wird auch hier durch die Bohrungen 51 und 52 in Fig. 9 öl unter Druck zugeführt Um den Öl-Abfluß für die Schmierung zu begrenzen, werden anstello von Kolbenringen zwei haarnadelähnliche Federn 53, Fig. 8, in Nuten eingelegt. Die Haarnadelfcdern 53, Fig. 11, 12 und 13, siml so geformt, daß sie eine Federspannung nach außen haben und siel; so an das Gehäuse anlegen. Kleine, kräftige Federn 54 sind zwischen den Enden der Haarnadelfedern 53 gelegt, um die Abdiohtun. an den Biegungen zu sichern.

809817/0718

COPY

Claims

Georg Karl Buergel, Plainview, N.Y., U.S.A.

Patentansprüche

( 1.J Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem da- ^-^ rin verschiebbaren Kolben, der mit dem Zylinder einen Brennraum begrenzt, und mit einer Heizkammer, die mit dem Brennraum über einen Kanal in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß am Kolben (14) ein Schieber (15) angesetzt ist, der den Verbindungskanal (26) steuert, und daß der Verbindungskanal (26) so angeordnet ist, daß er nur während eines bestimmten Kurbelwinkels vor und nach OT freigegeben, im übrigen jedoch von dem Schieber (15) abgesperrt ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (15) eine öffnung (25) aufweist, die kurz vor bis kurz nach OT mit dem Verbindungskanal (26) fluchtet.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (17) eine Tasche (18) zur Aufnahme des Schiebers (15) in der oberen Totpunktlage des Kolbens (14) aufweist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichent, daß sich der Kanal (26) qlurch einen Dichtkolben (28) erstreckt, der an den Schieber (15) angedrückt ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkolben (28) in einer Bohrung des Zylinders (16) mittels Kolbenringen (29) dichtend geführt und so ausgebildet ist, daß er durch den in der Heizkammer (27) herrschenden Gasdruck gegen den Schieber (15) gedrückt ist. - 2 -

809817/0718
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkolben (41) durch einen Metall faltenbalg (42) abgedichtet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Dichtkolben (28 bzw. 41) aufnehmende Bohrung mit einer Druckölzuführung (44 bzw. 51) versehen ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkolben (55) einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen lange Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schiebers (15) steht (Fig. 7 bis 10).
9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (15) im Zylinderkopf (17) durch einen Stützkolben (34) abgestützt ist.
10. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkolben (34) auf der von dem Dichtkolben (28) abgewandten Seite des Schiebers (15) angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekonnzeichnet, daß der Stützkolben (34) gegenüber der ihn aufnehmenden Bohrung durch Kolbenringe (29) abgedichtet ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkolben (47) durch einen Metal T-faltenbalg (42) abgedichtet ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung (36) zwischen der Heizkammer (27) und der den Stützkolben (34) aufnehmenden Bohrung.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der am Schieber (15) entlanggleitenden Stirnfläche des Stütz -

809817/0718

kolbens (34) eine Aussparung (38) vorgesehen ist, die durch eine Längsbohrung (37) im Stützkolben (34) mit dem Raum hintcr diesem in Verbindung steht.
15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhernchonden Ansprüche mit mehreren Zylindern, gekennzeichnet durch eine Heizkammer (27) für die Brennräume mehrerer oder aller Zylinder.

- 4

809817/0718