DE3413177A1

DE3413177A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3413177A1
Application number: DE19843413177
Authority: DE
Inventors: Eugenius 4000 Düsseldorf Koloch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-07
Filing date: 1984-04-07
Publication date: 1985-10-17

Description

P.-C. SROKA, dr. H. FEDER, dipl-phys. dr. W.-D. FEDER

PATENTANWÄLTE & EUROPEAN PATENT ATTORNEYS ....

KLAUS O. WALTER 3413177

RECHTSANWALT DOMINIKANERSTR. 37, POSTFACH 111038

D-4OOO DÜSSELDORF Il telefon (O21I) 5740 telex 8584 550

den 4.4.1984

IHR ZEICHEN:

MEIN ZEICHEN: 1.-5414 ~1 4/3

Eugenius Koloch Altenbrückstr. 31 4000 Düsseldorf 13

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Verbrennung smotor

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, o dessen Zündzeitpunkt nach dem oberen Totpunkt liegt, mit einem Arbeitszylinder und einem Arbeitskolben.

Bei Verbrennungsmotoren wird der Zündzeitpunkt bzw. der Kurbelwinkel, bei dem die Zündung einsetzt, im praktischen Betrieb so gewählt, daß die günstigste Leistung bzw. der günstigste Verbrauch erzielt wird, wobei für die Einstellung u.a. die Zündge-

schwindigkeit bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit und die Drehzahl des Motors maßgebend sind. Bei der Betrachtung des theoretischen Prozesses geht man davon aus, daß der günstigste Wirkungsgrad erreicht wird, wenn die Verbrennung möglichst als Gleichrauraverbrennung erfolgt. Man legt dabei zugrunde, daß beispielsweise bei Motoren mit Fremdzündung wegen der endlichen Verbrennungsgeschwindigkeit eine Vorzündung nötig ist, d.h. eine Zündung vor dem oberen Totpunkt (o.T.), um eine günstige in der Nähe des Totpunktes ablaufende Verbrennung zu erreichen. Bei Vollast wählt man beispielweise 20 bis 30° KW (Grad Kurbelwinkel.) vor o.T,, wobei diese Vorzündung mit zunehmendem Luftverhältnis, abnehmenden Ansaugtemperaturen und zunehmender Drehzahl größer gewählt wird. Die Verstellung des Zündzeitpunktes erfolgt entweder von Hand oder selbsttätig (Zündversteller) und läßt sich durch Versuche ermitteln. Der Zündzeitpunkt wird im allgemeinen so gewählt, daß der Verbrennungshöchstdruck kurz nach dem o.T. auftritt. Erfolgt die Zündung zu früh (Frühzündung) ergeben sich hohe Verbrennungsdrücke, wodurch die thermischen und mechanischen Verlust ansteigen und der Motor einen harten Gang bekommt. Bei zu später Zündung (Spätzündung) ergeben sich kleinere Drücke und dadurch Arbeitsverluste. Eine Frühzündung verstärkt und eine Spätzündung unterdrückt das Klopfen.

Bei Motoren mit Selbstzündung ist der Zündzeitpunkt durch Beginn der Kraftstoffeinspritzung und den Zündverzug bestimmt. Auf jeden Fall soll der Zündzeitpunkt so liegen, daß die Verbrennung ebenfalls

in der Nähe des ο.T. erfolgt. Die günstigste Lage des Zündzeitpunktes ist von der Art des Dieselverfahrens, der Belastung des Motors und der Drehzahl abhängig. Durch Spritzversteller kann der Förderbeginn der Einspritzpumpe und damit der Zündzeitpunkt von Hand oder automatisch verstellt werden.

In der DE-OS 1 9 09 227 ist ein gemischverdichtender Motor mit Fremdzündung behandelt, der ein Verdichtungsverhältnis aufweist, welches so hoch gewählt ist, daß eine Selbstzündung des gesamten angesaugten Brennstoff-Luftgemisches durch die im o.T. herrschende Verdichtungstemperatur gerade noch vermieden wird, wobei d^ie Zündung nach dem o.T. zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem eben noch ein klopffreier Lauf gewährleistet ist.

Es sind weiterhin sogenannte Gegenkolbenmotoren bekannt, bei denen in einem Zylinder zwei Kolben gegenläufig laufen, von denen der untere beispielsweise die Spülschlitze und der obere die Ausströmschlitze steuert. Der untere Kolben treibt über ein normales Triebwerk mit Kreuzkopf eine mittlere Kurbel der Kurbelwelle an, während der obere Kolben über ein Querhaupt, zwei seitliche Zugstangen, zwei Kreuzköpfe und Treibstangen mit zwei seitlichen Kurbeln der Kurbelwelle verbunden ist. Eine zweite Lösung besteht darin, daß im Motorengestell oben eine zweite Kurbelwelle gelagert ist, die von dem

3ο bzw. den oberen Kolben angetrieben wird. Obere und untere Kurbelwelle sind dann gewöhnlich auf der Stirnseite durch ein Zahnradgetriebe verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor so zu gestalten, daß bei nach dem o.T. liegendem Zündzeitpunkt eine optimale Leistung erzielt wird, wobei die Zündung und die Verbrennung derart erfolgen bzw· ablaufen sollen, daß ein maximales Kraftmoment durch Ausnützen der maximalen Kompression und der günstigsten Kurbelwellenstellung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderdeckel durch einen in dem Arbeitszylinder translatorisch zwangsgeführten Gegenkolben gebildet ist, dessen Bewegung so gesteuert ist, daß beim übergang vom Verdichtungstakt zum Arbeitstakt nach überschreiten des oberen Totpunktes der Verdichtungsbzw. Kompressionraum im wesentlichen sein kleistes Volumen über den Zündzeitpunkt hinaus bis maximal 9o° KW (Grad Kurbelwinkel) nach oberen Totpunkt behält.

Mit Ausnahme des Arbeitstaktes bzw. des Dehnungshubes bleibt gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors der Gegenkolben in einer stationären Lage relativ zum Arbeitszylinder, etwa entsprechend dem Zylinderdeckel oder Zylinderkopf eines üblichen Verbrennungsmotors. Unmittelbar nach überschreiten des oberen Totpunktes des Arbeitskolbens wird der Gegenkolben so gesteuert, daß er sich unter Beibehaltung des kleinsten Volumens des Verdichtungsbzw. Kompressionsraumes gleichläufig mit dem Arbeitskolben verstellt, und zwar maximal bis 90°

KW nach dem oberen Totpunkt; in dieser Stellung verbleibt dann der Gegenkolben bis zum Ende des Arbeitstaktes bzw. Dehnungshubes, bevor er anschließend im Schnellgang wieder in seine obere Endstellung etwa entsprechend der Positon eines üblichen Zylinderdeckels bzw. Zylinderkopfes zurückgeführt wird, in der er bis zum nächsten übergang von Verdichtungstakt zum Arbeitstakt nach überschreiten des oberen Totpunktes verbleibt. Noch während des Arbeitstakteslund der mit dem Arbeitskolben gleichläufigen Bewegung des Gegenkolbens erfolgt die Zündung, d.h. nach dem Zündzeitpunkt bewegt sich der Gegenkolben noch gleichsinnig mit dem Arbeitskolben unter Beibehaltung des kleinsten Volumens des Verdichtungs- bzw. Kompressionsraumes. In Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors und sonstiger Parameter lassen sich der Zündzeltpunkt und die maximale gleichsinnige Bewegung des Gegenkolbens mit dem Arbeitskolben während des Arbeitstaktes durch Versuch ermitteln, wobei der Zündzeitpunkt beispielsweise von Hand oder selbsttätig gesteuert werden kann.

Um während des Ausstoßhubes für die verbrauchte ladung auf gesteuerte Ventile verzichten zu können, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Gegenkolben noch über seine obere den Verdichtungs- bzw. Kompressionsraum begrenzende Stellung noch ein Stück hinausbewegt werden, um Auslaßöffnungen in der Zylinderwand freizugeben, die anschließend während des Ansaughubes wieder durch entsprechende Abwärtsbewegung des Gegenkolbens verschlossen werden.

Die Steuerung des Gegenkolbens muß mit der Drehung der Kurbelwelle koordiniert sein und ist vorzugsweise über eine Nockenanordnung von der Kurbelwelle abgeleitet.

Das erfindungsgemäße Prinzip, den üblichen stationär im Arbeitszylinder angeordneten Zylinderdeckel bzw. Zylinderkopf durch einen Gegenkolben zu ersetzen, der während des Arbeitstaktes zeitweilig die Beibehaltung des kleinsten Volumens des Verdichtungs- bzw. Kompressionsraumes gewährleistet, läßt sich sowohl bei Verbrennungsmotoren mit Fremdeündung als auch bei Motoren mit Eigenzündung sowie bei Viertaktmotoren als auch Zweitaktmotoren anwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 - 6 eine Prinzipdarstellung des erfindungsge-

2Q gemäßen Verbrennungsmotors bei unterschied

lichen Stellungen der Kurbelwelle bzw. des Arbeitskolbens während eines Arbeitspiels bei einem Viertaktmotor, und

Fig. 7-9 eine abgewandelte Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, bei dem der erfindungsgemäß verwendete Gegenkolben gleichzeitig zur Steuerung der Auslassöffnungen benutzt wird, einschließlich einer beispielhaften von

der Kurbelwelle abgeleiteten Steuerung für den Gegenkolben.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor bzw. das erfindungsgemäße Arbeitsprinzip ergeben sich aus der Zeichnung. Diese zeigt jeweils in schematischer Darstellung einen Arbeitszylinder 1 , einen Arbeitskolben 2 mit Pleustange 3, Kurbelwange 4 und Kurbelwellenachse 5, einen Gegenkolben 6 und Einlaßventile 7 sowie Auslaßventile 8 einerseits (Fig. 1 6) bzw. Auslaßöffnungen 12 (Fig. 7-9).

Fig. 1 entsspricht dem Verdichtungstakt bzw. Verdichtungshub, bei dem der Kolben 2 sich in Richtung des Pfeiles nach oben bewegt, wobei der Gegenkolben 6 praktisch als Ersatz eines ansonsten üblichen, relativ zum Arbeitszylinder 1 stationären bzw. feststehenden Zylinderdeckels bzw. Zylinderkopfes eine unveränderte obere Position einnimmt. Fig. 2 zeigt die Anordnung im Bereich des oberen Totpunktes des Arbeitskolbens 1 _s wobei der geringste Abstand zwischen dem Arbeitskolben 1 und dem Gegenkolben 6 und damit das kleinste Volumen des Kompressions- bzw. Verdichtungsraumes durch den Pfeil χ verdeutlicht ist. Nach überschreiten des oberen Totpunktes während des üblicherweise als Arbeitstakt bezeichneten Äbwärtshubes des Arbeitskolbens 1 bewegt sich auch der Gegenkolben 6 gleichläufig mit dem Arbeitskolben nach unten, wobei der Abstand zwischen Arbeitskolben 1 und Gegenkolben 6, so wie es durch den Pfeil χ dargestellt ist, unverändert bleibt. Bis zu welcher Kurbelstellung sich der Gegenkolben gleichsinnig mit dem Arbeitskolben bewegt hängt von der Auslegung des Motors ab. Bei dem in der Zeichnung dargestellten System ist beispielsweise ein Kurbelwinkel von ca. 45° nach oberem Totpunkt zugrunde gelegt.

Der Zündzeitpunkt ist durch den Pfeil a_ repräsentiert und liegt an geeigneter Stelle, bevor der Gegenkolben 6 seine unterste Position erreicht. Fig. 4 gibt die untere Totpunktlage des Arbeitskolbens 2 wieder, die er nach Beendigung des Arbeitshubes erreicht. Der Gegenkolben 6 bleibt während der Verstellbewegung des Kolbens 1 aus der Position gemäß Fig. 3 in die Position gemäß Fig. 4 unbeweglich, d.h. er übernimmt im wesentlichen die Position eines stationären Zylinderdeckels bzw. Zylinder- ; kopfes.

Nach Oberschreiten der unteren Totpunktlage wird während des Ausstoßhubes einerseits der Gegenkolben 6 in seine Ursprungslage zurückgestellt, während andererseits die Auslaßventile 8 geöffnet werden. Fig. 6 gibt den nach unten gerichteten Ansaughub des Kolbens 2 wieder, wobei die Auslaßventile 8 geschlossen und die Einlaßventile 7 geöffnet sind. Nach Durchlaufen der unteren Totpunktlage schließt sich wiederum der Aufwärts- bzw. Kompressionshub gemäß Fig. 1 an.

In den Fig. 7 bis 9 ist ein Steuerungssystem für die Bewegungssteuerung des Gegenkolbens 6 schematisiert dargestellt. Dieses Steuerungssystem umfaßt eine über eine Transmission 9 von der Kurbelwelle angetriebene Nockenscheibe 10, die über ein kranartiges Gestänge 11 die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens steuert. Die Darstellung gemäß Fig.

7 entspricht der Darstellung von Fig. 2 in der oberen Totpunktlage des Kolbens 1, während Fig.

8 der Darstellung von Fig. 3 entspricht.

Gemäß Fig. 9 ist der Gegenkolben 6 in der Lage, zur Freigabe von Auslaßöffnungen 12 eine Bewegung nach oben über seine in den Fig. 1, 2, 5 und 6 dargestellte Position auszuführen. Auch diese Bewegung des Gegenkolbens 6 erfolgt gleichläufig zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 2 während des Ausstoßhubes. Sobald der Arbeitskolben 2 während des Ausstoßhubes seine obere Totpunktlage erreicht hat, wird der Gegenkolben 6 während des Ansaughubes so weit nach unten verstellt, bis er, die Auslaßöffnungen 12 verschließend, wieder seine ursprüngliche obere Position gemäß Fig. 7 einnimmt.

Fig. 8 zeigt in beispielhafter Weise den Nockenverlauf der Nockenscheibe 10. Der Winkelbereich ö< entspricht dem Ansaughub, der Winkelbereich ß entspricht dem Kompressionhub, der Winkelbereich ^f" 1 + ^f"² entspricht dem Abwärtshub während des Arbeitstaktes, wobei der Winkelbereich ff 1 die mit der Bewegung des Arbeitskolbens gleichgerichtete Abwärtsbewegung des Gegenkolbens 6 darstellt, um während eines bestimmten Kurbelwellenwinkels das kleinste Volumen des Verdichtungs- bzw. Kompressionsraumes beizubehalten; der Winkel cT entspricht dem Ausstoßhub, bei dem auch der Gegenkolben 6 zur Freigabe der Auslaßöffnungen 12 geringfügig nach oben verstellt wird.

- Leerseite -

Claims

3 4 1 3 -¹"

Patentansprüche

Verbrennungsmotor, dessen Zündzeitpunkt nach dem oberen Totpunkt liegt, mit einem Arbeitszylinder und einem Arbeitskolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderdeckel durch einen in dem Arbeitszylinder (1) translatorisch zwangsgeführten

-J₀ Gegenkolben (6) gebildet ist, dessen Bewegung so gesteuert ist, daß beim Übergang vom Verdichtungstakt zum Arbeitstakt nach überschreiten des oberen Totpunktes der Verdichtungs- bzw. Kompressionsraum im wesentlichen sein kleinstes

•J5 Volumen über den Zündzeitpunkt hinaus bis maximal 90° KW (Grad Ku:
Totpunkt beibehält.

mal 90 KW (Grad Kurbelwinkel) nach dem oberen
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkolben (6) während des Ausstoßhubes für die verbrauchte Ladung zur Freigabe von Auslaßöffnungen (12) über seine obere, den Verdichtungs- bzw. Kompressionsraum begrenzende Stellung hinaus nach oben verstellbar ist,
3, Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Gegenkolbens (6) über eine Nockenanordnung von der Kurbelwelle abgeleitet ist.