DE3528620C2

DE3528620C2 -

Info

Publication number: DE3528620C2
Application number: DE3528620A
Authority: DE
Inventors: Miroslaw 3000 Hannover De Ziolkowski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1990-01-18
Also published as: DE3528620A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird im Arbeitstakt der höchste Druck erreicht, wenn der Motorkolben seinen oberen Totpunkt gerade ein wenig überschritten hat. In diesem Zustand ist die Kurbel der Kurbelwelle in einer Lage, in der das erzielbare Drehmoment relativ gering ist, weil der verfügbare Kraftarm klein ist. Durch weitere Drehung der Kurbel wird zwar der Kraftarm größer, aber gleichzeitig vergrößert sich auch das Arbeitsraumvolumen, und der Druck nimmt schnell ab. Hieraus resultiert ein relativ geringer Wirkungsgrad. Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnung verdeutlicht diese Verhältnisse. Mit dem Bezugszeichen a ist der Verlauf des Druckes im Zylinder, mit b die Abhängigkeit des Kraftarmes von der Stellung der Kurbel der Kurbelwelle und mit c die Lage des oberen Totpunktes bezeichnet. Man erkennt, daß beim höchsten Druck der verfügbare Kraftarm relativ klein ist, woraus das erwähnte relativ geringere Drehmoment resultiert.

Durch die US-PS 33 12 206 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der obengenannten Art bekannt. Diese bekannte Maschine weist drei Kolben auf. Der Motorkolben und der Zusatzkolben befinden sich in einem gemeinsamen Zylinder. Im Zusatzkolben ist ein kleinerer Kompressionskolben angeordnet. Der Zusatzkolben wird durch Federn gegen Nocken gedrückt, die auf einer Nockenwelle sitzen, welche über geeignete Mittel, wie Kette, Zahnräder u. ä. von der Kurbelwelle angetrieben wird. Bei dieser bekannten Maschine wird zwar auch angestrebt, das Verbrennungsvolumen während der Verbrennungsphase konstant zu halten. Dieses Ziel kann aber nur unvollkommen erreicht werden, weil hierzu nur der relativ kleine Kompressionskolben vorgesehen ist, der während des Arbeitshubes der Bewegung des Motorkolbens über eine vorgegebene Zeit erfolgt. Das vom kleinen Kompressionskolben verdrängte Volumen ist aber wesentlich kleiner als die Volumenzunahme beim Verbrennungsvorgang.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß das Arbeitsraumvolumen nur in einem Teilbereich des Arbeitskolbenhubes im wesentlichen konstant bleibt, um den Expansionstakt der Brennkraftmaschine mit besserem Wirkungsgrad nutzen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Es ist zwar durch die DE-PS 3 99 573 bei einem Verbrennungsmotor ein rohrförmiger Schieber bekannt, durch den ein Einlaßventil gesteuert wird; aber bei diesem bekannten Verbrennungsmotor ist nicht berücksichtigt, das Arbeitsraumvolumen beim Arbeitstakt im Bereich vom oberen Totpunkt (OT) bis 90° nach OT im wesentlichen konstant zu halten. Es fehlt demgemäß ein Zusatzkolben entsprechend der Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der US-PS 33 12 206. Außerdem ist ein auf- und abbewegbarer Zylinderboden vorgesehen, der die Einlaßventile nur teilweise abdeckt.

Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung kann das Volumen des Arbeitsraumes im Arbeitstakt über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden. Hierdurch kann die Zündung des Brennstoffes zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen als bei den bekannten Brennkraftmaschinen. Der höchste Druck wird dadurch zu einem späteren Zeitpunkt erreicht, bei dem der durch die Kurbel der Kurbelwellenanordnung definierte Kraftarm größer ist, wodurch ein größeres Drehmoment, ein größerer Wirkungsgrad und eine Leistungssteigerung erzielt werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf von Totpunkt, Druck und Kraftarm relativ zueinander bei herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen zeigt,

Fig. 2 schematisch ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf von Totpunkt, Druck und Kraftarm relativ zueinander bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine zeigt,

Fig. 3 schematisch eine Zylinder-/Kolbenanordnung herkömmlicher Hubkolbenbrennkraftmaschinen,

Fig. 4 und 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine beim Arbeitstakt,

Fig. 6 schematisch einen gemäß vorliegender Erfindung ausgebildeten Zweitaktmotor und

Fig. 7 einen Schnitt A-A durch den Motor nach Fig. 6.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt den zeitlichen Verlauf des Druckes (Kurve a), des Kraftarmes (Kurve b) und des Totpunktes (Gerade c) relativ zueinander bei einer herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschine, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein Motorzylinder, mit 4 ein Motorkolben, mit 6 eine Schubstange und mit 8 eine Kurbel einer Kurbelwelle 9 bezeichnet. Wenn F die am Motorkolben angreifende Kraft und R die Länge der Kurbel 8 der Kurbelwelle ist, so ergibt sich unter Berücksichtigung des Kurbelwinkels α und des Schubstangenwinkels β für das Drehmoment folgender Ausdruck:

Hieraus ist ersichtlich, daß das Drehmoment M bei zunehmendem Kurbelwinkel α größer wird, wenn F und R als konstant betrachtet werden. Mit steigendem Drehmoment ergibt sich dann auch eine höhere Leistung und ein höherer Widerstand.

Um bei herkömmlichen Maschinen diese Wirkung zu erzielen, müßte der Zündzeitpunkt verschoben werden, was aber wegen der gleichzeitigen Vergrößerung des Arbeits- bzw. Verdichtungsraumes eine Verringerung der Leistung bewirken würde.

Eine derartige Leistungserhöhung ist aber mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach den Fig. 4 bis 7 erzielbar, wobei Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das prinzipiell den zeitlichen Verlauf des Druckes (Kurve a′), des Kraftarmes (Kurve b′) und des Totpunktes (Gerade c′) relativ zueinander bei dieser Maschine darstellt.

Die Brennkraftmaschine weist wie die bekannten Maschinen einen Motorzylinder 10 mit einem Motorkolben 12 auf. Der Arbeitsraum 14 wird vom Kolben 12 und einem Zusatzkolben 16 begrenzt. Der Zusatzkolben 16 ist so steuerbar, daß auf eine vorbestimmbare Strecke des Arbeitshubes des Kolbens 12 der Arbeitsraum 14 im wesentlichen unverändert bleibt. Hierdurch kann die Zustandsänderung des im Arbeitsraum befindlichen Arbeitsstoffes zur Energieumwandlung durch Zündung oder Einspritzung im Vergleich zu bekannten Maschinen zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen mit dem Resultat, daß der größte Druck zeitlich später als bei den bekannten Maschinen und bei einem effektiv größeren Kraftarm der Kurbel der Kurbelwelle erzeugt wird, wie dies die Fig. 2 im Vergleich zu Fig. 1 zeigt.

Der Zusatzkolben 16 ist zweiteilig ausgebildet, wie dies die Fig. 4 und 5 zeigen. Die Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 sind insbesondere auf Viertaktmotoren lesbar.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 weist der Zusatzkolben einen äußeren zylindrischen Kolbenteil 20 und einen darin zentral geführten verschiebbaren inneren zylindrischen Kolbenteil 22 auf. In den Innenraum des Kolbenteiles 22 ragt bezüglich des Innenteiles abgedichtet ein ortsfest angeordnetes Bauteil 23, das zur Aufnahme einer Zündkerze, Einspritzdüse od. dgl. (nicht dargestellt) dient.

Der Motorzylinder 10 ist in seiner Zylinderwandung mit einem Einlaßventil in Form eines Saugschlitzes 24 und einem Auslaßventil in Form eines Auslaßschlitzes 26 ausgestattet, und zwar im Hubweg des Zusatzkolbens 16, dessen Kolbenteil 20 mit einem Einlaßorgan in Form eines Saugschlitzes 28 ausgestattet ist, der mit dem Saugschlitz 24 des Motorzylinders 10 beim Ansaugtakt ausrichtbar ist, wobei gleichzeitig der innere Kolbenteil 22 den Saugschlitz 28 freigibt und der Kolbenteil 20 den Auslaßschlitz 26 verschließt. Beim Arbeitstakt verschließt der Kolbenteil 22 den Saugschlitz 28, und beim Ausschubtakt gibt der Kolbenteil 20 des Zusatzkolbens 16 den Auslaßschlitz 26 frei. Beachtenswert ist, daß beim Ansaugtakt durch die Bewegung des Kolbenteiles 22 nach oben zum Öffnen des Saugschlitzes eine automatische Aufladung durch Vergrößerung des Ansaugvolumens erreicht wird. Hierdurch ist eine zusätzliche Leistungsvergrößerung erreichbar.

Die zur Zeit bekannten Zweitaktmotoren weisen gegenüber Viertaktmotoren Nachteile auf. Der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffanteil im Verbrennungsgas sind höher. Diese Nachteile bestehen auch bei solchen Zweitaktmotoren, die im unteren Teil des Motorzylinders nur Saugschlitze und im oberen Teil Auslaßventile aufweisen. Die Gründe liegen im wesentlichen in der Arbeitsweise des Zweitaktmotors. Man muß nämlich die Auslaßventile in bezug zum Öffnen der Saugschlitze relativ früh öffnen, was besonders bei langsam laufenden Motoren die Leistung vermindert. Die angesaugte Kraftstoffmischung vermischt sich dabei teilweise mit den Verbrennungsgasen im Bereich der Auslaßventile, in deren Bereich aufgrund der Brennkammerform eine Verwirbelung stattfindet. In Abhängigkeit von der Schließzeit der Auslaßventile wird ein Teil des Kraftstoffgemisches mit ausgeschoben oder es verbleibt ein Teil der Verbrennungsgase in der Brennkammer. Was die Verbrennungsgase bzw. Abgase betrifft, so könnten sich die gleichen Verhältnisse ergeben wie bei einem Viertaktmotor, wenn hinsichtlich des Arbeitsstoffes bzw. Brennstoffes gleiche Bedingungen vorlägen. Da jedoch eine Vorverdichtung im Kurbelwellengehäuse stattfindet, sind keine so guten Ergebnisse bei herkömmlichen Zweitaktmotoren erzielbar.

Ein Zweitaktmotor mit einer Ausbildung gemäß Fig. 6 und 7 weist die obigen Nachteile nicht auf. In der Fig. 6 ist mit der Bezugszahl 30 ein Motorzylinder des Motors bezeichnet, in dem sich ein Motorkolben 32 befindet. Auch beim Zweitaktmotor ist wiederum im Motorzylinder 30 ein Zusatzkolben 34 vorgesehen, der einen äußeren zylindrischen Kolbenteil 36 und einen inneren zylindrischen Kolbenteil 38 aufweist sowie ein im Kolbenteil 38 angeordnetes, ortsfestes Bauteil 40, das gegenüber dem Kolbenteil 38 abgedichtet ist und zur Aufnahme einer Zündkerze, Einspritzdüse (nicht dargestellt) od. dgl. dient. Im Motorzylinder 30 sind unten als Auslaßventile wirkende Auslaßschlitze 42, oben ein als Einlaßventil wirkender Saugschlitz 44 für die Kraftstoffmischung und ein Saugschlitz 46 für Spülluft angeordnet.

Der innere und der äußere Kolbenteil des Zusatzkolbens 34 sind jeweils von einer Feder 48 bzw. 50 beaufschlagt. Sie werden jeweils von einem Hebel 52 bzw. 53 einer Nockenwelle 54 betätigt, wobei die Federn 48 und 50 entgegen den Betätigungsrichtungen der Hebel 52, 53 wirken.

Mit den Bezugszeichen 56 und 58 sind ein Doppelzylinder und ein Doppelkolben eines Laders (Kolbenverdichter) 60 bezeichnet, der eine Einlaßöffnung 62 und ein Einlaßventil 64 aufweist.

Der Doppelkolben 58 saugt über das Einlaßventil 64 eine Brennstoffmischung oder Luft an und drückt diese in den Motorzylinder 30 über den Saugschlitz 44. Nach erfolgtem Arbeitstakt werden die Verbrennungsgase übe die Auslaßschlitze des Motorkolbens ausgestoßen. In der Zwischenzeit wird über den Saugschlitz 46 Spülluft in den Motorzylinder 30 gesaugt, die den Rest der Verbrennungsgase ausstößt und teilweise mit austritt. Die Spülluft kühlt den Motorzylinder und verbleibt zum Teil im Zylinder als Aufladeluft. Auf diese Weise kommt die Kraftstoffmischung mit den Verbrennungsgasen nicht in Berührung und wird besser ausgenutzt. Weil der angesaugte Kraftstoff nicht mehr von der Größe des Motorzylinders, also nicht mehr von dessen Durchmesser und dem Kolbenhub abhängt, kann man die entsprechenden Kenngrößen besser aneinander anpassen. Der Lader (Kolbenverdichter) 60 kann als Teil des Motors ausgebildet sein oder - was besonders vorteilhaft bei größeren Motoren ist - als zusätzliche Anlage vorgesehen sein.

Claims

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem mit Einlaßventilen (24, 44) und Auslaßventilen (26, 42) ausgestatteten Motorzylinder (10, 30), mit einem Motorkolben (12, 32) und mit einem im Motorzylinder gegenüber dem Motorkolben angeordneten Zusatzkolben (16, 34), der einen äußeren zylindrischen Kolbenteil (20, 36) und einen darin zentral geführten inneren zylindrischen Kolbenteil (22, 38) umfaßt und in dessen Hubweg die Einlaß- und Auslaßventile des Motorzylinders angeordnet sind und dessen Kolbenteile (16, 34, 20, 38) durch Nockensteuerungen so gesteuert sind, daß das Arbeitsraumvolumen beim Arbeitstakt im Bereich vom oberen Totpunkt (OT) bis 90° nach (OT) konstant bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß
der innere Kolbenteil (22, 38) zylindrisch ausgebildet ist und ein gegenüber diesem Kolbenteil abgedichtetes, ortsfestes Bauteil (23, 40) umgibt, das zur Aufnahme einer Zündkerze, Einspritzdüse od. dgl. dient, und
der äußere Kolbenteil (20, 36) ein Einlaßorgan (28) aufweist, weist, das beim Ansaugtakt mit dem Einlaßventil (24, 44) des Motorzylinders ausrichtbar und vom inneren zylindrischen Kolbenteil (22, 38) freigebbar ist und das beim Arbeitstakt vom inneren zylindrischen Kolbenteil (22, 38) verschließbar ist.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Saugschlitz (46) durch den äußeren zylindrischen Kolbenteil (36) geöffnet und verschlossen wird und daß die als Auslaßschlitze ausgebildeten Auslaßventile (42) durch den Motorkolben (32) gesteuert werden.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Saugschlitz (46) Luft unter Druck durch einen Lader (60) zuführbar ist.