DE3514787C2 - - Google Patents

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.