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Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, ins besondere Dieselmotor,
vorzugsweise einen Doppelkolben-Dieselmotor im 2-Takt-Verfahren, bei dem die Doppelkolben
gegenläufig angeordnet sind und über schräg liegende Kurbelarm mit einer Kurbelwelle
verbunden sind Durch die Erfindung soll eine Anordnung geschaffen werden, welche
eine bessere Verwirbelung und Ausnutzung des Brennstoffes ermöglicht, ohne daß die
bei Dieselmotoren übliche Ein3prltzpumpe erforderlich ist. Gleichzeitig soll der
Kraft st<;ffverbrauch des Motors herabgesetzt~-serdon.
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Diese Aufgabe wird bei einem 2-Takt-Dieselmotor vorzugsweise in Doppelkolben-Anordnung,
bei dem in den Arbeitszylindern gegenläufige Doppelkolben vorgesehen sind, welche
über schräg liegende Kurbelschieber-Gelenke mit der Kurbelwelle verbunden sind,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Jedem Verbrennungszylinder ein Hilfszylinder
mit in diesem hin- und herbeweglich gelagerten Hilfskolben zugeordnet ist, der im
Arbeitstakt des Motors zwangsgesteuert ist und vorverdichtete Verbrennungsluft gegen
den Druck eines federbelasteten Rückschlagventiles auf den endgültigen Verdichtungsdruck
verdichtet, und daß der Sitz des den Hilfszylinder abschließenden Rückschlagventiles
Brennstoff-Einlaßöffnungen aufweist und der Hilfszylinder und
der
Verbrennungszylinder durch einen gemeinsamen Raum mit; einander verbunden sind und
der Hilfszylinder über Verbindungskanäle , wie Einlaßventil, mit dem Verdichtungsraum
eines ihm zugeordneten Kompressors verbunden ist.
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Weitere Merkmale des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachstehenden
Figurenbeschreibung den Ansprüchen und den Zeichnungen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen schematisch dargestellten
2-Takt-Dieselmotor mit achsgleichen, einander gegenGberliegenden Arbeitszylindern
mit Kolben und zugeordneten Kompressorkolben, Fig. 2 einen Vertilcalschnitt gemäß
Anordnung nach Fig. 1, bei weichem fünf Zylinder konzentrisch zur Kurbelwellenachse
angeordnet sind, Fig. 3 einen Teilschnitt der Fig. 2, die einen Arbeitszylinder
mit ihn zugeordnet>n Hilfszylinder in der Einspritzphase und abgehobenem Rückschlagventil
aufweist, Fig. 3a dieselbe Anordnung wie Fig. 3 mit äußerer Totpunktlage der Arbeitskolben
kurz vor Beginn der Kompressionsphase, Fg, 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV
der Fig. 3,
Fig. 5 bis 5c in schematischer Darstellun den Bewegungsablauf
der Kolben im Bereich des oberen Totpunkt tes bei einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, Fig. 6a bis 6c in schematischer Darstellung
den Bewegungsablauf der Kolben im Bereich des obere Tot?un'es bei einer dritten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
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Bei dem erfindungsgemäßen Motor sind um die Achse 1 der Kurbelwelle
12 - gleichmäßig über den Umfang verteilt -die Verbrennungszylinder 2, 3, 4, 5 und
6 angeordnet (vgl.
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Fig. 2). In Jedem Zylinder liegen zwei Arbeitskolben 7, 8, die gegenläufig
arbeiten. In der Mitte zwischen den beiden Arbeitskolben 7, 8 befindet sich die
Verbrennungskammer 9.
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Jeder Arbeitskolben 7 bzw. 8 steht mit einem Kugelschiebergelenk 10
bzw. 10' mit dem Schrägscheibenantrieb ii, 11' in Verbindung, welcher die hin- uni
Herbewegung der Kolben auf die Kurbelwelle 12 überträgt.
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Mit den Arbeitskolben 7, 8 stehen achsgleich angeordnete Kompressorkolben
13, 13' in Wirkverbindung, die bei der Expansionsbewegung der Kolben 7, 8 ebenfalls
nach außen bewegt werden und dabei die für den nächsten Arbeitstakt erforderliche
Verbrennungsluft vorverdichten. Die Bewegung dieser Kompressionskolben 13, 13' wird
durch eine nicht näher dargestellte Formschlußverbindung mit den Arbeitskolben 7,
8 zwangsgesteuert.
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Die von den Kompressorkolben 13, 13' vorverdichtete Verbrennunluft
strömt über einen Zufuhrkanal 14 (Fig. 1) zu einem Einlaßventil 15, das etwa in
der Mittelebene zwischen den beiden Stirnflächen der Arbeitskolben 7 bzw. 8 liegt,
wobei Jedem Kolbenpaar Je ein solches Einlaßventil zugeordnet ist.
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Das Ventil 15 ist federbelastet und entsprechend dem Ablauf des Arbeitstaktes
durch nicht näher dargestellte Nocken gesteuert. Zu Beginn des Arbeitstaktes haben
die Kolb. 1 7 bzw. 8 ihre äußerste Totpunktlage (vgl. Fig 3a) eingenommen. In dieser
Lage wird die durch die Kompressoren 13, 13' vorverdichtAe Luft über das Ventil
15 in di taschenförmige Erweiterung 16 der Brennkammer 9 eingeführt.
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Diese taschenförmige Erweiterung 16 bildet eine Art Vorkammer, die
der eigentlichen Brennkamm.er 9 vorgeschaltet ist Während des Lufteinlaßtaktes strömt
somit vorverdichtete Luft soohl in den Vorkammerraum 16 als auch in den eigentlichen
Einzaugraum, der durch die beiden Stirnflächen der in ihrer äußeren Totpunktlage
befindlichen Kolben 7, 8 begrenzt ist. In dieser Ansaugstellung gelangt die vorverdichtete
Frischluft ferner über die Einlaß-Verbindungskanäle 17 (vgl. Fig. 3a) in den Raum
des Hilfszylinders 18. Je ein Hilfszylinder 18 liegt parallel zu den Arbeitszylindern
2 bis 6 und weist Jeweils einen Hilfskolben 18a auf, der in der äußersten Totpunktlage
der Arbeitskolben 7 bzw. 8 ebenfalls seine äußerste Totpunktlage im Hilfszylinder
18 einnimmt.
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In der Ansaugphase der Verbrennungsluft ist der Hileszylinder 18 durch
ein federbelastetes Ventil 19 abgeschlossen. In der Wandung des Hilfszylinders 18
liegen ferner mindestens zwei, vorzugsweise mehrere, gleichmäßig am Umfang verteilte
Kraftstoff-Zufuhrkanäle 20, die in der Ventilsitzfläche 18b mit Mündllngen in die
Vorkammer 16 enden.
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Der Hilfskolben 18a steht unter der Kraft einer Feder, vorzugsweise
einer Blattfeder, die nicht näher dargestellt ist und die ihrerseits im Arbeitstakt
des Motors zusatpjnen mit den Hilfskolben dos Hilfszylinders durch Hebel und/oder
Nocken zwangsgesteuert wird. Zu Beginn des Arbeitstaktes gehen die gegenläufigen
Arbeitskolben 7 bzw. 8 auf einander zu und verdichten die eingeführte, durch Kompressor
vorverdichtete Luft im Raum 9 und dem mit diesem verbundenen Vorkammerraum 16.
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Die Hilfskolben 18a stehen ihrerseits über eine nicht näher dargestellte
Schubstange mit der erwähnte Blattfeder in Verbindung, die über Hebel bzw. Nocken
bein Vorwärtsgehen der beiden Kolben 7 bzw. 8 gespannt wird. Unmittelbar bevor die
Kolben 7, 8 die innere Totpunktlage erreichen und so der maximale Verdichtungsdruck
entstanden ist, wird die sehr stark vorgespannte und zwangsgesteuerte Blattfeder
freigegeben und schlägt auf den Hilfskolben 18a, der seinerseits schlagartig in
Richtung auf das Schlagventil 19 bewegt wird. Dabi verdichtet der Hilfskolben 18a
die im Hilfskolbenraum 18c befindliche, bereits vorverdichtete Luft weiter, die
sich infolge der schlagartigen Kompression stark erhitzt und das Ventil 19 vom Ventilsitz
18b abhebt, so daß die hochverdichtete, erwärmte Luft aus dem Hilfskolbenraum 18c
schlagartig in den Vorkammerraum 16 und die von den Stirnenden der Kolben 7, 8 begrenzte
Verbrennungskammer 9 eintreten kann. Durch das Abheben des Rückschlagventiles 19
werden zugleich die Austrittsöffnungen 21 freigegeben, so daß die aus dem Hilfszylinderraum
l8c austretende, hochverdichtete Luft den Kraftstoff aus diesen Öffnungen 21 mitreißt,
diesen feinst zerstaubt und zusammen mit der hochkomprimierten Luft aus dem rlilfszylinder
18 in die Vorkammer 16 und den Verbrennungsraum 9 gelangen kann. Die Verdichtung
hat einen Grad erreicht, bei dem Selbstzündung eintritt, so daß mit dem Offenen
des Rückschlagventiles 19 und dem Eintreten der hoc'tuverdichteten Luft aus dem
Hilfszylinder 18 in Vorkammer 16 und Verbrennungsraum 9 die Zündung erfolgt.
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Der entstehende Zünddruck wirkt auf die Arbeitsflachen der in der
inneren Totpunktlage(vergl. Fig. 3) sich unmittelbar gegenüberstehenden Arbeitskolben
7 bzw 8 und treibt diese auseinander. Die Verbrennungsgase dehnen sich beim Rückgang
der Arbeitskolben 7, 8 aus und treten über die in den U2ndungen der Arbeitszylinder
2 bis 6 befindlichen Austrittsöffnungen 22, 23 ins Freie, die beim Rückgang der
Arbeitskolben 7 bzw. 8 in vorgegebener Lage freigegeben werden.
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Zu gleicher Zeit wird über das nicht näher bezeichnete Schubgestänge
die Blattfeder, die den Hilfskolben 18a iru nächsten Takt wieder vorschiebt, angehoben
und gespannt.
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Dabei wird auch der Hilfskolben über die Zwangssteuerung mit dem Arbeitskolben
in seine äußere Totpunktlage zurückgeführt. Sobald die Kolben 7, 8 ihre äußere Totpunktlage
erreicht haben, wird das noc!cenesteuerte Lufteinlaßventil 15 geöffnet und bleibt
- bis die Arbeitskolben 7, 8 wieder in ihre innere Totpunktlage vorwirtsgehen -
vorzugsweise bis zur Hälfte dieser Vorwärtsbewegung, geöffnet. Während dieser Zeit
wird wieder komprimierte Frischluft über des Lufteinlaßventil 15 vom Kompressor
über die Leitung i4 zum Einlaßventil 15 geleitet und gelangt in die Vorkammer 16
uno den freien Raum zwischen den Stirnenden der Arbeitskolben 7,8.
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Dabei findet eine Restspülung der verbrannten Gase statt, da das Einlaßventil
15 bereits öffnet, bevor die Kolben 7,8 in der äußersten Totpunktlage sind und ein
Teil der eingeführten Frischluft über die Austrittsöffnungen 22, 23 bei entsprechender
KolbenRre:igabe entweichen kann, bis die Auslaßöffnungen 22, 23 von den Arbeitskolben
7, 8 wieder geschlossen werden. Der ?erfindungsgemäße Motor arbeitet vorzugsweise
nach dem 2-Takt-Verbrennungsprinzip, bei dem die vorzugsweise durch den Jedem Arbeitszlyinder
zugeordneten Kompressor zylinder vorverdichtete Frischluft über ein gesondert es
Einlaßventil 15 in den Verbrennungsraum 9
entsprechend dem Ablauf
des Arbeitstaktes eingelassen wird.
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Der Brennstoff gelangt zu den Austrittsöffnungen 21 am Ventilsitz
18b über Kanäle 21a, 21b, die mit einem Brennstoffbehälter verbunden sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel sind Arbeits- und Kompressionsz-ylinder
achsgleich angeordnet und werden gemeinsam von dem mit der Kurbelwelle 12 verbundenen
Kugelschiebergelenk 11, 11' hin- und herbewegt. Ebenso wird , wie erwähnt, der Hilrskolben
entsprechend dem Hin- und Hergang der Arbeitskolben 7 bzw. 8 zwangsgesteuert, wobei
seine Vorwärtsbeschleunigung zwecks Kompression der im Hilfszylinder befindlichen
Luft im Augenblick des Zündvorganges durch die Kraft einer Blattfeder erfolgt.
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Das Einlaventil 15 ist bei der erfindungsgemäßen Maschine, gerechnet
von der äußeren Totpunktlage der Arbeitskolben 7, 8 aus, @, bis zur Hälfte der Vorwärtsbewegung
der Arbeitskolben, also etwa bis 900, geöffnet. Es wird erst geschlossen, wenn die
Arbeitskolben 7, 8 900 ihres Arbeitweges voh 1800 erreicht haben. Da Jedoch der
ganze Zylinderraum 9 in der äußeren Totpunktlage mit verdichteter Frischluft angefüllt
ist, wird auf der ersten Hälfte des Arbeitshubes der Kolben 7 bzw. 8 bis zur 90°-Lage
die Frischluft wieder über das geöffnete Frischluft-Ansaugventil 15 herausdrücken,
so daß*diese entgegen der Ansaugrichtung Pfeil A in Fig. 3a über den Kanal 14 (Fig.
1) in die Kompressionsrammer zurückgedrückt wird. Da der Kompressionskolben 13 bei
der Vorwärtsbewegung der Arbeitskolben 7 bzw. 8 zwangsläufig ebenfalls einen Dekompressionshub
ausführt, wird dieser Rückstrom der Frischluft durch die gegenläufige Bewegung des
Jeweiligen Kompressionskolbens 13 bzw. 13' unterstützt.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist die Summe des Arbeitsvolumens
der Zylinder 2 bis 6 durch die Steuerung des Jedem Zylinder zugeordneten Lufteinlaßventiles
15 auf die Hälfte reduziert. Hierdurch ist es möglich, daß sich das Arbeitsvolumen
in der Expansionsphase auf fast das Doppelte vergrößert, so daß eine größere Ausdehnung
der Verbrennungsgase gegeben ist als bei normalen Motoren und andererseits dadurch
der Ausdehnungsdruck entsprechend länger auf die Arbeitskolben 7 bzw. 8 Jedes einzelnen
Zylinders wirksam ist. Hierdurch wird ein höherer Wirkungsgrad und gleichzeitig
eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes erreicht.
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Nach einen weiteren Merkmal der Erfindung ist der Verbrennungsmotor
so ausgebildet, daß die Explosionskraft beim Zünden des Brennstoffgemisches, das
Diesel oder Ottokraftstoff enthalten kann, mit optimalem Wirkungsgrad auf die Schwungscheibe
des Yerbrennungsmotors gegeben wird. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß
der eie Kolben mit seiner Pleuelstange gegenüber dem mit ihm zusammenwirkenden Kolben
mit dessen Pleuelstange um ein vorgegebenes Winkel maß versetzt an der Kurbelwelle
anbeordnet ist. Die Ar.ordnung ist dabei so getroffen, daß der eine Kolben um etwa
40°, vorzugsweise 40 bis 450, gegenüber de Gegenkolben zurückversetzt ist, wenn
der Gegenkolben seine oberen Totpunkt lage erreicht hat. Der andere Kolben erreicht
den oberen Totpunlct-erst nach Durchlaufen dieses Winkelmasses. Der Gegenkolben
mit seiner Pleuelstange hat dann den oberen Totpunkt um genau dasselbe Winkelmaß,
nämlich 40 bis 45°, bereits durchlaufen und befindet sich daher um dieses Winkelmaß
nach dem oberen Totpunkt.
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In den Fig. 5a bis 5c ist schematisch der Bewegungsablauf der Kolben
eines Gegenlauf-Doppelkolbenmotors dargestellt.
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Dieser Motor hat zwei Kurbelwellenteile 100 und 100a, an denen bei
101 und 101a jeweils eine Pleuelstange 102 und 102a angelenkt ist. Die beiden Pleuelstangen
102, 102a weisen an ihrem anderen Ende jeweils einen Kolben 103 bzw.
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103a auf. Zwischen den beiden Kolben 103, 103a befindet sich der Verbrennungsraum
104.
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Bei der in Fig. 5a dargestellten Lage befindet sich der rechte Kolben
103 in der oberen Totpunktlage. Der auf der linken Seite dargestellte Gegenkolben
103a ist um den Winkel d von etwa 40 bis 45° gegenüber dem Kolben 103 zurückversetzt.
Dadurch befindet sich der Gegenkolben 103a mit seiner Pleuelstange 102a um den Winkel
o( im Nachlauf gegenüber dem Kolben 103.
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Bei der Rotation der Kurbelteile 100, lOOa (vgl. Pfeile in Fig. 5a
bis 5c) bewegen sich die Kolben 103, 103a in die Stellung gemäß Fig. 5b. In dieser
Lage hat der rechte Kolben 103 den oberen Totpunkt bereits überschritten, während
sich komplementäre der Gegenkolben 103a noch um das / Winkelmaß vor dem oberen Totpunkt
befindet.
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Wenn der Gegenkolben 103a mit seiner Pleuelstange 102a den oberen
Totpunkt erreicht hat (Fig. 5c), hat der andere Kolben 103 mit seiner Pleuelstange
102 den oberen Totpunkt bereits um das Zurückversetzungsmaß 0< überschritten.
In dieser in Fig.
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5c dargestellten Lage der beiden Kolben 103, 103a erfolgt die Zündung
des Brennstoffes. Infolge dieser erfindungsgemäßen
Anordnung erfolgt
eine optimal günstige Abnahme der bei der ZUndung des Brennstoffes auftretenden
Explosionskraft und eine entsprechend optimal gUnstige Übertragung der Explosionskraft
auf die Kurbelwellenteile 100, lOOa des Verbrennungsmotors.
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In den Fig. 6a bis 6c ist schematisch der Bewegungsablauf der Kolben
eines Doppelkolbenmotors dargestellt, bei dem die Zylinder parallel zueinander liegen
und einen gemeinsamen Verbrennungsraum haben. Auch bei dieser Ausführung ist der
eine Kolben um ein vorgegebenes Winkelmaß von etwa 40°, vorzugsweise 40 bis 45°,gegenüber
dem mit ihm zusammenwirkenden Gegenkolben zurückversetzt, wenn sich dieser Gegenkolben
im oberen Totpunkt befindet. Der Motor hat zwei parallel zueinander liegende Kurbelwellen
200, 200a, an denen jeweils bei 201, 201a eine Pleuelstange 202, 202a angelenkt
ist, die an ihrem anderen Ende einen Kolben 203, 203a aufweist. Die beiden Kolben
203, 203a laufen jeweils in einem Zylinder 205, 205a, die einen gemeinsamen Verbrennungsraum
204 aufweisen.
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Bei der Stellung gemäß Fig. 6a befindet sich der rechte Kolben 203
mit seiner Pleuelstange 202 im oberen Totpunkt, während der Gegenkolben 203a mit
seiner Pleuelstange 202a um das Winkelmaß « zurückversetzt ist. Dieses Winkelmaß
oc betrugt etwa 40°, vorzugsweise 40 bis 450.
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Fig. 6b zeigt die Lage der beiden Kolben 203, 203a, in der der rechte
Kolben 203 den oberen Totpunkt bereits Uberschritten hat, während sich der Gegenkolben
203a um das komplex mentäre Winkelmaß noch vor dem oberen Tctpunkt befin- .
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det.
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Wenn der Gegenkolben 203a schließlich seine obere Totpunkt lage erreicht
(Fig. 6c), hat der Kolben 203 den oberen Totpunkt bereits um das Winkelmaß α
von etwa 40°, vorzugsweise 40 bis 450 überschritten. In dieser in Fig. 6c dargestellten
Lage erfolgt wieder die Zündung des Brennstoffgemisches. Auch bei diesem Doppelkolbenmotor
mit parallel zueinander liegenden Zylindern ergibt sich der gleiche Vorteil wie
bei dem zuvor beschriebenen Gegenlauf-Doppelkolbenmotor.
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Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 6a bis 6c können die beiden
Kubelwellen 200, 200a gleichsinnig oder gegensinnig drehen. Bei gleichem Drehsinn
der beiden Kubelwellen werden die auf die Kurbelwellen gehenden Drehmomente durch
eine gemeinsame Kette abgenommen. Bei gegenläufigem Drehsinn der beide@ Kurbelwellen
werden die Drehniomente durch miteinander kämmende, auf den Kurbelwellen sitzende
Zahnrnder auf eine gemeinsame Abtriebswelle gegeben.