DE3514787C2 - - Google Patents
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- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
- F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
-
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- F04B17/05—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by internal-combustion engines
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspru
ches 1.
Brennkraftmaschinen weisen in Zylindern geführte
Kolben auf, die mit den Zylindern Brennräume begren
zen, in denen abwechselnd Luft-Brennstoff-Gemische
gezündet werden.
Die Bewegungsenergie der Kolben wird zum Antrei
ben beispielsweise mechanisch oder mit hydraulischem
Medium übertragen.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist bei
spielsweise aus der DE-PS 2 86 806 bekannt. Bei diesem
bekannten Verbrennungsmotor befinden sich an beiden
Stirnseiten der Kolbenansätze Verdichtungskammern
zum Verdichten der Ladeluft für die Verbrennung. In
die Verdichtungskammern strömt die Luft jeweils durch
Radialöffnungen in der Zylinderwand im Bereich der
Kolbenansätze an beiden Zylinderenden, wobei die ra
dialen Eintrittsöffnungen durch eigene Kolbenschieber
gesteuert werden müssen. Die vorverdichtete Luft
strömt dann über Radialbohrungen in den Kolbenansät
zen von diesen gesteuert ins Innere des hohlen Kolbens
über Kanäle zum gegenüberliegenden Kolbenansatz
und von dort über die entsprechenden Kolbenansatz-
Radialbohrungen in den zugeordneten Brennraum.
Beim Rückhub des Kolbens ändert sich die Luftströ
mungsrichtung durch den Kolben. Aus den Brennräu
men treten die Verbrennungsgase über Auslaßöffnun
gen in der Symmetrie-Radialebene des Zylinders von
der Kolbenstirnseite gesteuert aus. Die bekannte
Brennkraftmaschine überträgt ihre Leistung mecha
nisch mittels Kolbenstange nach außen und stellt daher
keinen Freikolbenmotor dar.
Dieser bekannte Motor hat u. a. den Nachteil, daß zur
Einlaßsteuerung separate Kolbenschieber zusätzlich zu
den Radialbohrungen in den Kolbenansätzen notwen
dig sind. Die Arbeitsweise und Motorsteuerung dieses
Motors ist aufwendig und sehr wenig zuverlässig, die
Gasströmung durch den gesamten Kolben ist kompli
ziert und sehr verlustbehaftet, die Gaswechsel, Brenn
raumfüllung und Durchmischung sind wenig effektiv,
sind aufwendig und kompliziert.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, eine Brennkraftmaschine mit einem ähnlichen
Aufbau so zu verbessern, daß eine einfachere und zu
verlässigere Steuerung und Arbeitsweise erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentan
spruches 1 gelöst.
Zu diesem Zweck ist der Kolben mit seinen beiden
zylindrischen Ansätzen entsprechend bemessen, die Ka
näle und Bohrungen sind jeder Kolbenhälfte separat
zugeordnet und entsprechend zu den nur zylindermittig
angeordneten Eintrittsöffnungen und beidseitig dazu
angeordneten Austrittsöffnungen des Zylinders zuge
ordnet.
Je nach der Kolbenstellung stehen die Eintrittsöffnun
gen mit den Bohrungen und Kanälen mit jeweils einer
Kolbenhälfte und deren Ansatz in Verbindung bzw. sind
sie gesperrt und die zugeordneten Austrittsöffnungen
dieser Kolbenhälfte sind freigegeben bzw. gesperrt. Die
Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch strömt so auf
kurzem Weg verlustarm durch die Kanäle und die Boh
rungen in die Brennräume und hier auf kurzem Weg an
der Wandung der Brennräume entlang. Dabei werden
die Verbrennungsgase praktisch vollständig aus den
Verbrennungsräumen herausgeschoben, so daß ein ra
scher, optimaler Ladungswechsel in den Brennräumen
erfolgt.
Zum Zweck ein möglichst homogenes Brennstoff-
Luftgemisch in den Brennräumen zu erreichen und ei
nen guten und raschen Ladungswechsel zu erhalten,
sind erfindungsgemäß die Kanäle in den zylindrischen
Ansätzen so ausgebildet, daß ihre Mündungen auf den
Mantelflächen dieser zylindrischen Ansätze kranzartig
angeordnet sind, wobei die Einspritzdüsen bzw. Zünd
elektroden in kranzartiger Anordnung in toroidartige,
zu den zylindrischen Ansätzen koaxiale Ausnehmungen
der Brennräume münden.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die in die
Brennräume eintretende Luft bzw. das Gemisch die
Brennräume optimal von den Verbrennungsgasen frei
spült. Gleichzeitig ist es durch die toroidartige Ausbil
dung der Brennräume möglich, das kleinste Volumen
der Brennräume (Totpunktvolumen) und damit auch die
maximale Verdichtung des Luft-Brennstoff-Gemisches
konstruktiv genau vorzugeben.
Erfindungsgemäß sind weiterhin in der Wandung des
Zylinders Wegaufnehmer für die genaue Stellung des
Kolbens zur Bestimmung und Steuerung des Einspritz
zeitpunktes für den Brennstoff und/oder des Zeitpunk
tes für das Zünden angeordnet.
Das Verdichten der Luft kann nach dem Prinzip des
Turboladers erfolgen, es können auch übliche Pumpen
zum Verdichten eingesetzt werden.
Aus der DE-OS 31 49 930 ist eine ventillose Brenn
kraftmaschine bekannt geworden, die nach dem Zwei
taktverfahren arbeitet und bei der Zylinderwandlöcher
durch einen Schieber geöffnet oder verschlossen wer
den. Der an einer Kurbelwelle angelenkte Hohlkolben
besitzt auf seiner der Kurbelwelle abgewandten Seite
einen axialen rohrförmigen Ansatz, der je nach Kolben
hubstellung mehr oder weniger tief in ein Kühlgehäuse
ragt. Der rohrförmige Ansatz trägt dabei in der Nähe
seines freien Endes Öffnungsschlitze, die mit zunehmen
dem Eintauchen des rohrförmigen Ansatzes in das
Kühlgehäuse verschlossen werden. Verdichtete Luft
wird dem Brennraum vom Kurbelgehäuse aus durch
den hohlen Kolben und dessen rohrförmigen Ansatz
durch die Öffnungsschlitze zugeführt. Kraftstoff wird in
den Brennraum eingespritzt und mittels Zündkerzen ge
zündet. Der Kolben steuert im Bereich seiner unteren
Totlage Auslaßschlitze auf und zu, die sich in der Zylin
derwand befinden. Durch den Schieber können zusätz
lich Bypassöffnungen zum Auslaß gesteuert werden. Ins
Kurbelgehäuse gelangt die vorverdichtete Verbren
nungsluft durch eine Öffnung in der Zylinderwand, die
vom kurbelwellenzugewandten Kolbenhemdende auf
gesteuert wird, wenn sich der Kolben im Bereich seiner
oberen Totlage befindet. Auch dieser Motor ist relativ
kompliziert und die Gasströmung zunächst ins Kurbel
gehäuse und von dort durch den Kolben zeitverschoben
in den Brennraum ist sehr verlustbehaftet. Schließlich ist
auch die Steuerung dieses Motors kompliziert und we
nig zuverlässig, sobald mit mehr als einem Zylinder ge
arbeitet wird. Die Leistungsabnahme des Motors erfolgt
an der drehenden Kurbelwelle.
Aus der DE-AS 14 80 100 ist weiterhin eine Freikol
ben-Brennkraftmaschine bekannt, die keine Kanäle im
Kolben aufweist und bei der auch die Einlaßöffnungen
von den Kolbenstirnseiten gesteuert werden. Da in die
sem bekannten Falle die Ein- und Ausströmung der
Gase in den jeweiligen Brennraum nicht konzentrisch
von der Achse aus radial nach außen erfolgt, sondern die
Einströmung zur Zylinderachse und die Ausströmung
entgegengesetzt erfolgen muß, entstehen sehr schlechte
Strömungsverhältnisse, schlechte Gaswechsel und
Brennraumfüllungen. Auch die Steuerung von Ein- und
Auslaß mit nur einer gemeinsamen Kolbenkante führt
bei dieser Anordnung der Ein- und Auslaßöffnungen zu
einer wenig zuverlässigen Steuerung und Motorarbeits
weise. Oftmals, so auch bei der DE-AS 14 80 100 wird
die Bewegungsenergie vom Kolben der Freikolben-Brenn
kraftmaschine auf ein hydraulisches Medium zum
Antreiben von Hydromotoren beispielsweise in Fahr
zeugen übertragen. Nach diesem Prinzip können auch
Pumpen ausgebildet sein.
Es ist aus der DE-OS 30 29 287 bekannt, auf den Stirn
flächen einer Kolbenstange jeweils einen Kolben und in
der Mitte zwischen diesen beiden Kolben auf der Kol
benstange einen dritten Kolben anzuordnen. Die beiden
äußeren Kolben begrenzen mit dem Zylinder jeweils
einen Brennraum, während der mittlere Kolben mit dem
Zylinder zwei Räume zum Vorverdichten eines Luft-
Brennstoff-Gemisches begrenzt, das über Überström
kanäle abwechselnd in die Brennräume eingespeist und
gezündet wird.
Es ist auch bekannt (US-PS 44 49 488 und
DE-OS 28 16 660) in einem mit dem Zylinder die Brennräume
begrenzenden Kolben einen zweiten Kolben zur Aus
bildung von Kammern zum Vorverdichten der Luft an
zuordnen.
Generell kann den Brennräumen Luft bzw. ein Luft-Brenn
stoff-Gemisch zugeführt werden. Im ersten Fall
wird noch Brennstoff in die Brennräume eingespritzt.
Generell können in den Brennräumen Zündelektroden
angeordnet sein oder die Verdichtung kann in den
Brennräumen so hoch gewählt sein, daß eine Zündung
des Kraftstoff-Luftgemisches von selbst erfolgt.
Als Brennstoffe können flüssige, gasförmige und auch
feste Brennstoffe zum Einsatz kommen, wie zum Bei
spiel Benzin, Schweröl, Leichtöl oder auch Kohlenstaub
usw.
Es sind weiterhin Freikolbenmotoren mit einem in
einem Zylinder geführten Kolben bekannt
(US-PS 42 05 528), wobei der Zylinder mit den Stirnseiten des
Kolbens Brennräume begrenzt, die Stirnseiten Ansätze
und die Brennräume Düsen zum Einspritzen eines
Brennstoffes aufweisen und die Wandung des Zylinders
Eintrittsöffnungen für Luft und Austrittsöffnungen für
die Verbrennungsgase hat und wobei der Kolben je
nach seiner Stellung die Eintrittsöffnungen und die Aus
trittsöffnungen freigibt bzw. sperrt. Die Ansätze auf den
Stirnseiten des Kolbens sind kegelstumpfförmig und lei
ten die in die Brennräume eingespeiste Luft in der Wei
se, daß zu Beginn die Brennräume von den Verbren
nungsgasen freigespült werden. Wie bei den bereits er
wähnten Freikolbenmotoren ist jedoch ein erheblicher
konstruktiver Aufwand erforderlich um in Abhängig
keit der Kolbenstellung das Einleiten der Luft und des
Brennstoffes in die Brennräume zu steuern. Dieser Auf
wand setzt die Störanfälligkeit herauf und stellt an die
Wartung des Motors erhebliche Anforderungen.
Aus der US-PS 43 26 380 sind weiterhin Wegaufneh
mer für die Kolbenstellung vorbekannt. Die Gaswech
selsteuerung dieser Brennkraftmaschine ist jedoch mit
der der anmeldungsgemäßen Maschine nicht vergleich
bar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch
2 sind die Achsen der Eintrittsöffnungen für die Luft
bzw. das Gemisch in der Zylinderwandung so angeord
net, daß der axialen Bewegung des Kolbens eine Rota
tionsbewegung des Kolbens überlagert ist, d. h. das ein
strömende Gas den Kolben in Drehung versetzt. Durch
diese Maßnahmen wird ein Einlaufen des Kolbens ver
hindert.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind
die Wegaufnehmer für die Kolbenposition beispielswei
se Magnetfeldsensoren, die nach dem Induktionsprinzip
arbeiten und die durch die Bewegung des Kolbens eine
von seiner Stellung abhängige lnduktionsspannung er
zeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläu
tert. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch das Ausführungsbei
spiel der Brennkraftmaschine. Der Zylinder ist mit 1
bezeichnet. Er weist in seiner Wandung Eintrittsöffnun
gen 2 für die Luft und Austrittsöffnungen 3 für die Ver
brennungsgase auf und führt den axial verschiebbaren
Kolben 4. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Eintrittsöff
nungen 2 in einer Ringzone und die Austrittsöffnungen
in zwei Ringzonen angeordnet.
Der Kolben 4 weist auf seinen Stirnseiten 5 und 6
jeweils einen als Pumpenkolben wirkenden zylindri
schen Ansatz 7 bzw. 8 auf, wobei die Ansätze 7, 8 einen
kleineren Durchmesser als der Kolben 4 haben. Der
Kolben 4 ist in einem Zylinderraum 9 geführt, den er in
die ringförmigen Brennräume 10 und 11 unterteilt.
Die zylindrischen Ansätze 7, 8 tauchen in allen ihren
Stellungen in die Bohrungen 12, 13 der am Zylinder 1
befindlichen zylindrischen Ansätze des Motorgehäuses
ein, die wie aus dem Blockschaltbild der Fig. 2 ersicht
lich ist, über Hydraulikleitungen zu einem Hydromotor
führen. Die zylindrischen Ansätze 7, 8 des Kolbens 4
stehen mit ihren Stirnflächen gegen das hydraulische
Medium in den Leitungen an. Zum Abdichten gegen das
hydraulische Medium weisen die zylindrischen Ansätze
Dichtungen 14 bzw. 15 auf.
Der Kolben 4 kann zum Abdichten der Brennräume
ebenfalls Dichtungen aufweisen, die mit 16 bzw. 17 be
zeichnet sind. Der Kolben 4 weist weiterhin Kanäle 18
und 19 auf, die vorzugsweise getrennt sein können und
die von seiner Mantelfläche ausgehen und in Bohrungen
20 bzw. 21 der zylindrischen Ansätze 7, 8 übergehen.
Diese Bohrungen 20 bzw. 21 laufen in die Mantelflä
chen der zylindrischen Ansätze 7, 8 aus. Die Mündungen
der Kanäle 18 bzw. 19 auf der Mantelfläche des Kolbens
4 sind in zwei Zonen 22 bzw. 23 äquidistant, d. h. kranz
artig angeordnet. Diese kranzartige Anordnung ist auch
für die Mündungen der Bohrungen 20, 21 getroffen, die
in den Zonen 24 bzw. 25 der zylindrischen Ansätze an
geordnet sind.
Die Brennräume 10, 11 weisen koaxial zu den als
Pumpenkolben wirkenden zylindrischen Ansätzen 7, 8
gegenüberliegend zu den Stirnseiten 5, 6 des Kolbens 4
jeweils eine toroidförmige Ausnehmung 26 bzw. 27 auf,
in der ebenfalls kranzartig die Düsen 28 bzw. 29 zum
Einspritzen des Brennstoffes angeordnet sind.
An der Wandung des Zylinders 1 sind im Bereich der
Brennräume 10, 11 Magnetfeldsensoren als Wegaufneh
mer 30 bzw. 31 angeordnet, die zur Steuerung der Ein
spritzdüsen 28, 29 bzw. der zusätzlichen Zündeinrich
tungen in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 4
dienen.
Die Funktionsweise der Brennkraftmaschine nach
Fig. 1 ist folgende: Entweder wird den Brennräumen 10,
11 über die Bohrungen 20, 21 und die Kanäle 18, 19 des
Kolbens 4 und dessen zylindrische Ansätze 7, 8 Luft
bzw. Gemisch zugeführt. Im ersten Falle wird über die
Düsen 28, 29 Brennstoff eingespritzt, wobei eine Selbst
zündung eintritt bzw. eine Zündung durch zusätzliche
nicht dargestellte Zündeinrichtungen (Zündelektroden)
erfolgt. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Kolbens 4
ist im Brennraum 10 die Luft bzw. das Gemisch aus Luft
und Brennstoff praktisch auf das Volumen der toroid
förmigen Ausnehmung 26 verdichtet.
In dem anderen Brennraum 11 befinden sich die Ver
brennungsgase, die über die Öffnungen 3 in der Wan
dung des Zylinders 1 nach außen treten. Die Kanäle 18
des Kolbens 4 stehen mit den Eintrittsöffnungen 2 des
Zylinders 1 in Verbindung, so daß verdichtete Luft bzw.
verdichtetes Gemisch über die Kanäle 18 und die Boh
rungen 20 in den Brennraum 1 1 strömt und die Verbren
nungsgase aus dem Brennraum 11 verdrängt werden.
In der in Fig. 1 dargestellten rechten Stellung des
Kolbens 4 wird dieser nach Zündung nach links getrie
ben. Durch diese Bewegung des Kolbens 4 werden die
Eintrittsöffnungen 2 in der Wandung des Zylinders 1
gesperrt und die verdichtete Luft bzw. das Gemisch in
dem Brennraum 11 weiter verdichtet. Die Mündung der
Kanäle 18 und Bohrungen 20 werden durch die weitere
Bewegung des Kolbens 4 gesperrt.
Sobald der Kolben 4 eine vorgegebene Stellung er
reicht hat, gibt die Magnetfeldsonde 31 ein Steuersignal
an die Einspritzdüsen 28 zum Einspritzen des Brennstof
fes bzw. an die Zündeinrichtungen zum Zünden des
Brennstoffes. Sobald der Kolben 4 seine in der Zeich
nung linke Endstellung erreicht hat, entspricht der Zu
stand in dem Brennraum 11 dem aus Fig. 1 ersichtlichen
Zustand im Brennraum 10.
Der Kolben 4 macht somit eine hin- und hergehende
Bewegung, die sich auf das hydraulische Medium über
trägt, wodurch der Hydromotor bzw. eine Turbine an
getrieben wird.
Claims (3)
1. Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder
(1) geführten, doppelt wirkenden, aus zwei gleich
artigen Hälften bestehenden Kolben (4), wobei der
Zylinder (1) mit Stirnseiten (5, 6) des Kolbens (4)
ringförmige Brennräume (10, 11) begrenzt und wo
bei der Kolben (4) axial beidseitig zylindrische, als
Pumpenkolben wirkende Ansätze (7, 8) mit kleine
rem Durchmesser aufweist, die abgedichtet geführt
sind in Bohrungen (12, 13) von am Zylinder befindli
chen zylindrischen Ansätzen, mit in der Zylinder
wand angeordneten Eintrittsöffnungen (2) für Luft
oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch und Austrittsöff
nungen (3) für die Verbrennungsgase, wobei der
Kolben (4) je nach seiner Stellung die Eintrittsöff
nungen (2) und Austrittsöffnungen (3) jeweils frei
gibt bzw. sperrt, mit Kanälen (18, 19) für Luft oder
ein Luft-Kraftstoff-Gemisch im Kolben (4), die mit
Bohrungen (20, 21) in den Mantelflächen der zylin
drischen Ansätze (7, 8) in Verbindung stehen, wobei
die Kanäle (18, 19) je nach der Kolbenstellung mit
den Eintrittsöffnungen (2) in Verbindung bringbar
sind und wobei die kranzartig angeordneten Boh
rungen (20, 21) je nach der Kolbenstellung jeweils
freigebbar oder durch die am Zylinder befindlichen
zylindrischen Ansätze absperrbar sind, mit Ein
spritzdüsen und/oder Zündelektroden (28, 29) in
den die ringförmigen Brennräume (10, 11) begren
zenden Stirnflächen des Zylinders (1), mit Eintritts
öffnungen (2) am Zylinderumfang in einer zur Zy
linderachse senkrecht stehenden Ebene des Zylin
ders (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn
kraftmaschine als Freikolben-Brennkraftmaschine
ausgebildet ist, daß die zylindrischen Ansätze (7, 8)
druckerhöhend auf ein Fluid für einen Hydromotor
wirken, daß in jeder Hälfte des Kolbens (4) Kanäle
(18) bzw. (19) angeordnet sind, daß die Austrittsöff
nungen (3) in zwei Radialebenen des Zylinders (1)
angeordnet sind, daß die Brennräume (10, 11) je
weils toroidartige, zu den Ansätzen (7, 8) koaxiale
Ausnehmungen (26, 27) aufweisen, daß zur Steue
rung des Einspritz- bzw. Zündzeitpunktes in der
Zylinderwand Wegaufnehmer (30, 31) für die Stel
lung des Kolbens (4) angeordnet sind, und daß die
Eintrittsöffnungen (2) dann mit den der einen Kol
benhälfte zugeordneten Kanälen (18) bzw. (19),
Bohrungen (20) bzw. (21), dem Brennraum (11) bzw.
(10) und den Austrittsöffnungen (3) in offene Strö
mungsverbindung treten, wenn sich die Stirnfläche
der anderen Kolbenhälfte nahe der zugeordneten
Stirnfläche des Zylinders (1) befindet, wobei Luft-
Kraftstoff-Gemisch aus einer Verdichtungsvorrich
tung (50) durch die Eintrittsöffnungen (2) einströmt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Achsen der Eintrittsöff
nungen (2) in dem Zylinder (1) so im Abstand zur
Zylinderachse angeordnet sind, daß der Kolben (4)
außer seiner axialen Bewegung in Rotation ver
setzt wird.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Wegaufnehmer (30,
31) nach dem Induktionsprinzip arbeitende Ma
gnetfeldsonden sind, die eine kolbenstellungsab
hängige Spannung abgeben.
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