DE3785779T2 - Brennkraftmaschine. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren.
• Das Grundprinzip des Viertaktverbrennungsmotors ist seit seiner Entstehung weitgehend unverändert geblieben, abgesehen von der Erfindung des Dieselmotors. Sowohl der Funkenzündungsmotor als auch der Dieselmotor haben einen niedrigen Wirkungsgrad und haben Nachteile, besonders in Hinsicht auf sparsamen Kraftstoffverbrauch und umweltschädliche Abgasemission. In der Vergangenheit sind diese Nachteile nicht besonders wichtig gewesen, aber in den letzten Jahren sind, angesichts zum Beispiel zunehmender Gesetzgebung, die den Inhalt der Abgasemissionen von Motoren betrifft, und der hohen Kraftstoffpreise, Versuche unternommen worden, die allgemeine Leistungsfähigkeit und die Sparsamkeit des Verbrennungsmotors zu verbessern. Diese Versuche, wie etwa der Wankelmotor und der sogenannte "Armverbrennungs"-motor, haben sich als nur teilweise erfolgreich erwiesen, obwohl zu ihrer Entwicklung ein beträchtlicher Aufwand an Zeit und Ressourcen betrieben wurde.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
• Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor bereit, der folgendes umfaßt:
• mindestens ein Paar erster und zweiter Zylinder, wobei der besagte erste Zylinder ein größeres Hubvolumen als der besagte zweite Zylinder aufweist;
• eine an den Kopfenden der besagten Zylinder diese verbindende Verbrennungskammer;
• dauerbetriebsfähige Zündmittel in der besagten Verbrennungskammer;
• jeweils erste bzw. zweite Arbeit verrichtende Kolben, die in den besagten Zylindern auf die besagte Verbrennungskammer zu und von ihr wegbewegbar sind;
• erste Mittel für die Zufuhr von Luft oder dergleichen in den besagten ersten Zylinder während eines Einlaßhubs des besagten ersten Kolbens;
• zweite Mittel für die Zufuhr von Kraftstoff zum besagten zweiten Zylinder;
• erste bzw. zweite Schlitzöffnungen zur Verbindung jeweils der besagten ersten und zweiten Zylinder mit der besagten Verbrennngskammer;
• und Mittel, um die Bewegung des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem besagten zweiten Zylinder in die besagte Verbrennungkammer bis gegen das Ende des Verdichtungshubs zu hemmen;
• und wobei der besagte zweite Zylinder so betrieben werden kann, daß er der besagten Verbrennungskammer aus dem besagten zweiten Zylinder das Kraftstoff-Luftgemisch im wesentlichen als Gasstromung zuführt;
• dadurch gekennzeichnet,
• daß es sich bei den besagten Mitteln zur Hemmung der Bewegung des Kraftstoff-Luftgemisches um den Druck der in der besagten Verbrennungskammer wirbelnden Luft handelt, was dadurch veranlaßt wird, daß die besagte erste Schlitzöffnung in die besagte Verbrennungskammer in einer solchen Richtung einmündet, daß Luft aus dem besagten ersten Zylinder der besagten Verbrennungskammer mit einer tangential zur besagten Verbrennungskammer verlaufenden Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird, und daß die besagte Verbrennungskammer so gestaltet ist, daß sie zur Bildung einer Wirbelbewegung in der Luft beiträgt.
• Der hier verwendete Ausdruck "Luft oder dergleichen" schließt jede geeignete Mischung aus Sauerstoff und anderen, gewöhnlich inerten, Gasen ein, wie auch im wesentlichen reinen Sauerstoff zur Verbrennung mit einem gasformigen oder flüssigen (d.h. dampfförmig flüssigen) Kraftstoff. Sie kann zurückzirkulierte Kurbelgehäusegase und einen kleinen Anteil an Kohlenwasserstoffsubstanzen, die in zurückzirkulierten Kurbelgehäusegasen vorkommen können, enthalten.
• Die vorliegende Erfindung wird hier nachfolgend beispielhaft und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen gleiche Teile gleiche Bezugsnummern besitzen. Es zeigen:
• Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teilschnitts durch einen Teil eines Reihenverbrennungsmotors, der dem in der EP- A-0156543 offenbarten ähnlich ist;
• Figur 2 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäß bevorzugte Ausführung der Erfindung;
• Figur 3 einen Schnitt II-II durch Figur 2;
• Figur 4 eine Ansicht des Motors aus Figur 2, die die Kolben in der Lage ihres unteren Totpunkts (UT) zeigt;
• Figur 5 eine Ansicht des Motors aus Figur 2, wobei die Herausnahme des Verbrennungskammerbehältnisses des Motors gezeigt wird;
• Figur 6 einen Seitenteilschnitt einer modifizierten Ausführung eines Verbrennungskammerbehältnisses und eine zylindrische Verbrennungskammer für den Motor aus den Figuren 2 bis 5;
• Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Figur 6;
• die Figuren 8, 9 und 10, 11 und 12, 13 Ansichten ähnlich denen der Figuren 6 und 7, die weitere modifizierte Ausführungen eines Verbrennungskammerbehältnisses zeigen;
• Figur 14 einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors;
• Figur 15 einen Schnitt entlang der Linie XIV-XIV in Figur 14, der ein Verbrennungskammerbehältnis im Detail zeigt;
• Figur 16 einen Schnitt entlang der Linie XVI-XVI in Figur 18, der ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungskammerbehältnisses mit zylindrischer Verbrennungskammer zeigt;
• Figur 17 eine Ansicht des Behältnisses aus Figur 16 aus der Richtung des Pfeils A;
• Figur 18 einen Schnitt entlang der Linie XVIII-XVIII aus Figur 16;
• Figur 19 einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
• Figur 20 einen Schnitt entlang der Linie XX-XX in Figur 19;
• Figur 21 einen Schnitt entlang der Linie XXI-XXI in Figur 19;
• Figur 22 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
• Figur 23 einen Teilschnitt entlang der Linie XXIII-XXIII in Figur 22; und
• Figur 24 einen Teilschnitt durch eine weitere, dreiecksförmige Ausführung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einer Mehrzahl an Zylindern.
• Um ein leichtes Nachschlagen zu ermöglichen, sind die in den Figuren verwendeten Zahlen untenstehend aufgeführt:
• 12 Hauptzylinder
• 14 Nebenzylinder
• 16 Hauptkolben
• 18 Nebenkolben
• 20 Verbrennungskammer
• 22 katalytisch gemachte Oberfläche
• 24 Einlaßventil
• 25 Einlaßschlitz
• 26 Auslaßventil
• 27 Auslaßschlitz
• 28 Einlaßleitung
• 30 Auslaßleitung
• 32 Drosselklappe in der Einlaßleitung
• 34 Schlitz für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung
• 36 Kraftstoffeinspritzvorrichtung
• 38 nebenzylinderseitige Trennwandoberfläche
• 40 Öffnung in 38
• 42 hauptzylinderseitige Trennwandoberfläche
• 44 Öffnung in 42
• 46 herausnehmbares Verbrennungskammerbehältnis
• 48 Öffnung in 46 für Glühkerzen- oder Funkenanlasserzünder
• 50 Wirbelverbrennungskammer (zylindrischer Doppelwirbeltyp)
• 52 Glühkerzen- oder Funkenanlasserzünder
• 54 Hauptkurbelwelle
• 56 Nebenkurbelwelle
• 58 Hohlraum im Zylinderkopf für Verbrennungskammerbehältnis 46
• 60 wirbelartige Verbrennungkammer (zylindrischer Einfachwirbelachsentyp)
• 61 wirbelartige Verbrennungkammer (sphärischer oder sphäroidischer Typ)
• 62 Zylinderkopf für Hauptzylinder
• 64 Lücke in der katalytisch gemachten Oberfläche in der Verbrennungskammer
• 66 Quetschvorsprung auf dem Hauptkolben
• 68 Fach im Zylinderkopf für den Quetschvorsprung am Kolben
• 70 Abschnitt von 68, der während des Quetschvorgangs offen bleibt
• 74 Einlaßschlitz beim Zweitaktmotorentyp
• In den Zeichnungen, auf die nun Bezug genommen wird, ist Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Motors 10, der dem in der EP-A-0.156.543 offenbarten ähnlich ist. Die Grundprinzipien des Betriebs eines erfingdungsgemäßen Motors werden mit Bezug auf Figur 1 beschrieben, und praktische Beispiele von erfindungsgemäßen Motoren werden in den nachfolgenden Zeichungen gezeigt. Der Motor 10 hat ein oder mehr Paare von zusammenarbeitenden Zylindern 12, 14, die jeweils einen Kolben 16, 18 enthalten, wobei die Zylinder 12, 14 so angeordnet sind, daß ihre Achsen axial aufeinander ausgerichtet sind. Die Kopfenden der Zylinder 12, 14 stehen in ständiger Verbindung mittels eines gemeinsamen Totraums, in dem sich eine Verbrennungskammer 20 befindet. Ein Zylinder 12, der Hauptzylinder, hat ein größeres Hubvolumen als der andere Zylinder 14, und dieser Zylinder wird als ein Luftzylinder bezeichnet. Der kleinere Zylinder hat ein kleineres Hubvolumen und wird als ein Kraftstoffsteuerungszylinder bezeichnet.
• Die Kolben in beiden Zylindern sind mit zwei Kurbelwellen verbunden, die mechanisch zusammengekuppelt sind, zum Beispiel mittels eines Riemens oder einer Kette, wobei der größere Kolben 16 mit der Hauptkurbelwelle des Motors verbunden ist. Alternativ kann der kleine Kolben 18 mit der Kurbelwelle des größeren Kolbens mittels einer Kipphebelanordnung verbunden werden, anstatt mit einer zweiten, einer Nebenkurbelwelle versehen zu sein. In der bevorzugten Ausführung des Motors ist die Phase der Kolben verkoppelt und sie bewegen sich im Einklang, d.h. sie erreichen den UT (unteren Totpunkt) und den OT (oberen Totpunkt) zur selben Zeit, aber im Betrieb des Motors wird der kleinere Kolben 18 gegenüber dem größeren Kolben 16 geringfügig verzögert sein. Vorzugsweise tritt bei zunehmender oder abnehmender Motorengeschwindigkeit keine Phasenänderung zwischen den beiden Kolben ein, obwohl die Möglichkeit eines Variierens der Phase bei Änderungen der Geschwindigkeit eingebaut werden kann, falls gewünscht. Bei Mehrfachzylindermotoren liegen sowohl Haupt- als auch Nebenzylinder parallel zueinander.
• Der Luftzylinder 12 steht mit einem Lufteinlaßschlitz 25 und einem Auslaßschlitz 27 in Verbindung, die jeweils zu den Einlaß- bzw. Auslaßleitungen 28, 30 gehören. Das Öffnen und Schließen der Schlitze wird vorzugsweise mittels der Ventile 24, 26, wie etwa Tellerventile, die von einem Nocken betätigt werden, gesteuert. Alternativ können die Ventile von einem anderen Typ sein, wie etwa rotierende Hülsenschieber. Zwar wird in Figur 1 gezeigt, daß die Schlitze am oder neben dem UT in den Zylinder einmünden, jedoch können einer oder beide auch vom Luftkolben 16 selbst während dessen Bewegung überdeckt bzw. freigegeben werden, besonders wenn der Motor für einen Betrieb gemäß dem Zweitaktprinzip konstruiert ist.
• Die Verbrennungskammer 20 enthält Zündmittel in der Gestalt eines Katalysators 22, vorzugsweise in der Gestalt eines Überzugs auf einem Teil der Innenwand bzw. der Innenwände oder auf der ganzen Innenwand bzw. den Innenwänden der Kammer.
• Der bevorzugte Kraftstoff ist eine leicht flüchtige Flüssigkeit wie etwa Benzin. Bleifreies Benzin oder Benzin ohne Antiklopfzusätze kann, falls bevorzugt, selbst bei hohen Verdichtungsverhältnissen des Motors (wie etwa 10-16) verwendet werden. Gasförmige Kraftstoffe können ebenfalls verwendet werden, wenn sie unter mäßigem Druck eingespritzt werden.
• Kraftstoff wird durch den Kraftstoffeinlaßschlitz 34 in den Kraftstoffsteuerungszylinder 14 eingeführt. Im Falle leicht flüchtiger flüssiger Kraftstoffe wie etwa Benzin wird eine Niedrigdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 36, die elektromagnetisch betätigt werden kann, so positioniert, daß sie den Kraftstoff in den Einlaßschlitz abgeben kann. Vorzugsweise wird der Kraftstoffeinlaßschlitz so nah wie zur Einspritzung der erforderlichen Menge an Kraftstoff nötig am OT des Kolbens in der Zylinderwand positioniert, so daß die Einspritzung vorzugsweise gegen die Endphase des Einlaßhubs und die Anfangsphase des Verdichtungshubs stattfindet. Dies ermoglicht dem Kolben 18, die Einspritzvorrichtung 36 während der hohen Drücke, denen sie während der Endphase des Verdichtungshubs und der Anfangsphase des Expansionshubs ausgesetzt ist, abzuschirmen. Die Einspritzvorrichtung sollte den Kraftstoff vorzugsweise in kleine Tröpfchen zerstäuben. Eine Einspritzvorrichtung, die in der Lage ist, höheren Drücken und Temperaturen zu widerstehen, kann nah an einer Schlitzöffnung irgendwo im kleineren Zylinder plaziert werden. Die Einspritzvorrichtung kann auf die äußere Oberfläche der Verbrennungskammer gerichtet sein, die dem Nebenzylinder zugewendet ist, so daß eine heiße Oberfläche der Verbrennungskammer die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs unterstützen kann.
• Für den Beginn der Kraftstoffeinspritzung kann zwar ein Zeitpunkt während des Verdichtungshubs eingestellt werden, jedoch wird für den Beginn vorzugsweise ein Zeitpunkt während des Einlaßhubs und idealerweise der Zeitpunkt eingestellt, an dem der Kraftstoffeinlaßschlitz 34 vom Kolben 18 freigegeben wird. Die Dauer der Einspritzung kann eingesetzt werden, um die Menge an eingespritztem Kraftstoff und damit die Leistungsabgabe des Motors zu steuern.
• Die maximale Dauer der Kraftstoffeinspritzung wird durch den Zeitraum zwischen dem Freigeben und dem erneuten überdecken des Schlitzes 27 durch den Kolben 18 gegen Ende des Einlaßhubs und der Anfangsphase des Verdichtungshubs festgelegt und wird daher durch die Lage des Kraftstoffeinlaßschlitzes 27 relativ zur Lage des Kolbens 18 am OT beeinflußt. Wird eine kürzere Einspritzzeit benötigt, kann diese dadurch festgesetzt werden, daß die Einspritzvorrichtung abgeschaltet wird, bevor der Schlitz 34 während des Verdichtungshubs durch den Kolben überdeckt wird. Während des Vorgangs der Kraftstoffeinspritzung wird der leicht flüchtige Kraftstoff in den Anteil an Luft gesprüht, der in den Kraftstoffsteuerungszylinder 14 eingelassen wird und der kleiner ist im Vergleich mit der Gesamtmenge an Luft, die vom Motor als ganzem in die Zylinder 12 und 14 zusammengenommen eingelassen wird. Ein vorteilhaftes Merkmal dieses Motors besteht darin, daß der Kraftstoff während des Niedrigdruckabschnitts des Taktumlaufs in die Luft eingespritzt wird, wenn die Luft sich unter ihrem Einlaßdruck befindet, und der Anfangsphase des Verdichtungsdrucks, so daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung keine hohen Gasdriicke im Zylinder 14 überwinden muß.
• Ein anderes vorteilhaftes Merkmal im Vergleich mit dem Dieselmotor besteht darin, daß die Zeiteinstellung für den Vorgang der Kraftstoffeinspritzung die Zeiteinstellung für das in Gang Setzen der Verbrennung im Motor nicht festlegt. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die Zeiteinstellung für das in Gang Setzen des Vorgangs der Kraftstoffeinspritzung vorzuziehen oder zu verzogern.
• Während des auf den Einlaßhub folgenden Verdichtungshubs erfährt das Gas im Kraftstoffsteuerungszylinder 14 einen Temperaturanstieg, und der zerstäubte flüssige Kraftstoff verdampft. Die Dauer des Verdichtungshubs gibt dem Kraftstoff ausreichend Zeit, zumindest teilweise zu verdampfen und eine reiche gasförmige Mischung zu bilden (deutlich oberhalb des stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Massenverhältnisses bei voller Leistung bzw. dem Großteil des Bereichs gehobener Leistung des Motors), da die Kraftstoffeingabe in den Nebenzylinder 14 sich schließlich mit der gesamten Luftmasse im Motor vermischen soll, die in den beiden Zylindern 12 und 14 enthalten ist.
• Die Größe des Hubvolumens des Nebenzylinders ermöglicht dem reichen Gemisch im Nebenzylinder oberhalb der Reichgemischzündgrenze für Betriebsarten mit voller oder hoher Leistung zu liegen. Dadurch wird eine vorzeitige Zündung aufgrund durch Verdichtung induzierter Temperaturen vermieden, wenn hohe Verdichtungsverhältnisse (zum Beispiel Verhältnisse von Maximal- zu Minimalvolumen für das Zylinderpaar während des Taktumlaufs von 12-16) in die Motorgeometrie eingeplant werden, selbst dann, wenn geeigneter Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl, wie etwa bleifreies Benzin, verwendet wird.
• Die Verdampfung des zerstäubten Kraftstoffs in die Luft, die während des Verdichtungshubs im Nebenzylinder 14 enthalten ist, entzieht dieser Luft Wärme und stellt so die für die Verdampfung benötigte latente Wärme bereit, und verringert dabei die Temperatur und den Druck (oder verringert zumindest die Zuwachsgeschwindigkeit) des Luft-Kraftstoffgemisches im Zylinder 14 unter den Druck, der in der Luft vorherrscht, die im Hauptzylinder 12 verdichtet wird, der keinen Kraftstoff enthält. Dies unterstützt wiederum die Wanderung von Luft vom Zylinder 12 zum Zylinder 14 während des Verdichtungshubs, indem ein Druckdifferential zwischen den beiden Zylindern induziert oder erhöht wird. Diese Wanderung hat zwei nutzbringende Effekte.
• (i) Sie hält den Kraftstoff bis zur Endphase des Verdichtungshubs weg vom Katalysator in der Verbrennungskammer 20.
• (ii) Sie ermöglicht das Wandern einer zusätzlichen Luftmasse vom Zylinder 12 und der Verbrennungskammer in den Nebenzylinder und ihre Vermischung mit der Luft, die während des Einlaßhubs aufgenommen wird, und dem Kraftstoff, der durch den Kraftstoffeinlaßschlitz 34 eingespritzt wird. Diese Wanderung wird bei zur Erhöhung der Leistung zunehmenden Mengen an eingespritztem Kraftstoff verstärkt, so daß genug Luft im Nebenzylinder bereitgestellt wird, um dem Kraftstoffdampf zu ermöglichen, über seiner Taupunkttemperatur zu bleiben, und um dazu beizutragen, das reiche Kraftstoff- Luftgemisch im Zylinder 14 innerhalb des Bereiches eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Massenverhältnisses zu halten, auf das hin die Konstruktion der Verbrennungskammer optimiert werden kann. Im Gegensatz zum Motor in der EP-A-0156543 wird in den unter Bezug auf die Figuren 2-24 beschriebenen Ausführungsbeispielen die Luft, die mittels des Hauptkolbens zur Verbrennungskammer geführt wird, dazu gebracht, in einer Wirbelbewegung in einer zylindrisch oder sphärisch oder sphäroidisch gestalteten Verbrennungskammer umherzuwirbeln. Diese Wirbelbewegung trägt auch dazu bei, während des Verdichtungshubs eine zusätzliche Wanderung von Luft in den Nebenyzlinder zu induzieren.
• Es ist möglich, zur Einspritzung in den Zylinder 14 durch den Kraftstoffeinlaßschlitz 34 Gas zu verwenden, aber in diesem Fall kann die Wanderung von Luft vom Zylinder 12 zum Kraftstoffsteuerungszylinder dadurch erreicht werden, daß die Bewegung des Hauptkolbens 16 im Verhältnis zur Bewegung des Nebenkolbens 18 vorausgeführt wird, und durch den Druck der Luft, die in den Motorausführungen, die in den Figuren 2 bis 24 gezeigt werden, in einer Wirbelbewegung in der Verbrennungskammer umherwirbelt.
• Die Betriebsschritte, die vom Kraftstoffsteuerungszylinder 14 während der Einlaß- und Verdichtungsphasen des Taktumlaufs ausgeführt werden, laufen auf das Hineinlassen, das Verdampfen und ein anfängliches Vermischen des Kraftstoffs mit einer Menge an Luft hinaus, so daß eine reiche gasförmige Mischung aus Kraftstoff und Luft gebildet wird, die dann zur Verbrennungskammer 20 geführt wird. Diese Betriebsschritte gewährleisten ein erfolgreiches Funktionieren des Motors bei hohem Wirkungsgrad und rechtfertigen die Beschreibung des Nebenzylinders 14 als dem Kraftstoffsteuerungszylinder.
• Beide Kolben 16 und 18 führen ihre Gase während des Verdichtungshubs in die Verbrennungskammer 20, wobei das im Fall des Nebenzylinders 14 gegen Ende des Verdichtungshubs geschieht, wenn die Wanderung von Luft vom Zylinder 12 zum Zylinder 14 aufhört. Der Eintritt des reichen Kraftstoff- Luftgemisches in die Verbrennungskammer wird von einer schnellen Vermischung begleitet, die weiter unter beschrieben wird.
• Die Zündung in einem Katalysatormotor ist ein Verdichtungszündungsvorgang und hängt davon ab, daß der Motor dafür konstruiert ist, einen ausreichend hohen Spitzenwert für den Verdichtungsdruck und die Verdichtungstemperatur zu fördern, wenn die Kolben sich nahe am UT befinden, unter Berücksichtigung des Kühleffekts des im Nebenzylinder 14 befindlichen verdampfenden Kraftstoffs. Die Zündung wird vom Katalysator 22 unterstützt. Letzterer setzt die Anfangsphase der chemischen Reaktion in Gang, die wiederum genug Wärme erzeugt, um den verbleibenden Kraftstoff in eine Flamme zu entzünden. Die umherwirbelnde Wirbelbewegung in der Verbrennungskammer setzt sich während der Zündphase fort und gewährleistet einen langen Kontakt mit dem Katalysator über einen Zeitraum, um eine schnelle und vollständige Verbrennung zu fördern.
• Die Einlaßleitung 28, die mit dem Einlaßschlitz 24 in Verbindung steht, ist normalerweise ohne Beschränkung für die Luftbewegung, kann aber eine Beschränkungs- oder Drosselvorrichtung enthalten, wie etwa ein Drosselventil 32 als ein Mittel zur Steuerung der in den Motor hineingelassenen Luftmenge. Dies kann während des Leerlaufs erforderlich sein und/oder in Zuständen geringer Beladung, wenn wenig Kraftstoff benutzt wird und, bei einem Motor mit hoher Verdichtung, das Gemisch im Nebenzylinder oberhalb der Reichgemischzündgrenze gehalten werden muß. Es kann auch bei voller Beladung und niedriger Geschwindigkeit erforderlich sein, wenn ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad zu überhöhten Drücken in der Verbrennungskammer und zu frühzeitiger Zündung führen kann. Die Funktion des Luftzylinders 12 ist es, den größeren Anteil an der vom Motor benötigten Luft hineinzulassen und ihn während des Verdichtungshubs zu verdichten und zur Verbrennungskammer 20 zu führen, wo er mit einer schnellen Rotationsbewegung versehen werden soll.
• Die Steuerung des Drosselns, falls eingesetzt, wird vorzugsweise automatisch mittels eines geeigneten Steuerungssystems durchgeführt, das in das Motorsteuerungssystem eingebaut ist.
• Der Motor ist so konstruiert, daß er die Zündung der Mischung zu dem Zeitpunkt im Taktumlauf erzielt, an dem der maximale Verdichtungsdruck und die maximale Verdichtungstemperatur erreicht werden, das heißt am oder nahe am UT, und daß er in diesem Augenblick ein gut gemischtes Kraftstoff-Luftgemisch dem Katlysator aussetzt. In einigen Zuständen, wie zum Beispiel niedriger Geschwindigkeit und voller Leistung, kann, wenn bei einer bestimmten Motorenkonstruktion die Zündung zu früh erfolgt, ein leichtes Drosseln der Luftaufnahme durch die Drehklappe 32 eingesetzt werden, um den Spitzendruck und die Spitzentemperatur am UT leicht zu verringern und so die Zeiteinstellung für die Zündung zu verzögern.
• Der Motor benötigt mindestens ein Lufteinlaßventil, vorzugsweise ein Auslaßventil und einen Schlitz zur Kraftstoffeinspritzung, wobei das Lufteinlaßventil Luft direkt zum größeren Zylinder 12 befördert, während der Schlitz 34 zur Kraftstoffeinspritzung es ermöglicht, Kraftstoff direkt in den kleineren Zylinder 14 einzuspritzen. Eine größere Zahl an Einlaß- und/oder Auslaßventilen kann bereitgestellt werden, zum Beispiel ein Paar pro Zylinder. Tellerartige Ventile, die von einem Nocken betätigt werden, sind dazu geeignet.
• Die Verbrennungskammer 20 besetzt im wesentlichen den Totraum im Motor, d.h. das kleinste Volumen, das bleibt, wenn die Kolben des Kolbenpaars sich am nächsten sind. Der Wirkstoff des Katalysators 22 kann Platin, Palladium oder Rhodium oder eine Platin-Rhodiumlegierung sein, die entweder auf der Oberfläche eines Trägers aus Metall, wie etwa temperaturbeständigem Stahl, abgelagert wird, oder eine Keramikeinlage, die die Wände der Verbrennungskammer bildet. Der Katalysator hat die Eigenschaft, den Oxidationsprozeß des Kraftstoffs bei einer niedrigeren Temperatur in Gang zu setzen, als es anderenfalls möglich wäre, so daß eine schnelle chemische Reaktion in Gang gesetzt wird, die für den Einsatz in einem Motor geeignet ist, und auch bei Kraftstoff-Luft- Massenverhältnissen, besonders sehr armen Verhältnissen, die unter Umständen außerhalb der Selbstzündungsgrenze liegen, was entweder durch Verdichtungszündung- oder Funkenzündungsmethoden in Gang gesetzt werden kann.
• Die Temperatur, die benötigt wird, um die chemische Reaktion mittels des Katalysators schnell genug für den Einsatz in einem Motor in Gang zu setzen, wird durch die Verdichtung der Gase im Motor erhalten, und die maximale Temperatur tritt auf, wenn das Volumen des Gases nahe seinem Minimum ist. Von diesem Prinzip wird Gebrauch gemacht, um die Zeiteinstellung der Zündung innerhalb des Taktumlaufs festzusetzen, da die Geschwindigkeit der vom Katalysator in Gang gesetzten chemischen Reaktion bei der richtigen Temperatur sehr hoch sein kann. Der Motor wird daher durch Verdichtung mit katalytischer Unterstützung gezündet.
• Hat die chemische Reaktion einmal angefangen, ist es wichtig, sicherzustellen, daß die Absorption von Wärmeenergie durch Oberflächen, einschließlich des Katalysators 22, in der Verbrennungskammer 20 minimiert wird. Aus diesem Grund wird der Katalysator vorzugsweise auf der Wand oder einem Teil der Wand der Verbrennungskammer abgelagert, oder er wird in einem Einsatz angebracht, der zumindest einen Teil der Wand der Verbrennungskammer bildet.
• Es sollte vermieden werden, die Katalysatoroberfläche innerhalb des Volumens der Verbrennungskammer auf einem extra hinzugefügten Träger anzubringen, wo sie die Gasströmung behindern würde und eine zusätzliche wärmeabsorbierende Masse innerhalb der Verbrennungskammer hinzufügen würde, statt daß sie eine Oberfläche der Kammer bildet. Die katalytisch gemachte Oberfläche 22 beginnt vorzugsweise in einigem Abstand vom Bereich des Eintritts des Kraftstoff-Luftgemisches in die Verbrennungskammer. Das trägt dazu bei, eine frühzeitige Zündung zu verhindern und gibt mehr Zeit für das Vermischen von Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer vor der Zündung.
• Der effiziente Betrieb des Motors hängt von einem Prozeß ab, der dem reichen Kraftstoff-Luftgemisch, das mittels des Kolbens 18 der Verbrennungskammer zugeführt wird, ermöglicht, sich mit der Luft, die mittels des Kolbens 16 der Verbrennungskammer zugeführt wird, zu vermischen, da anderenfalls das in Gang Setzen einer chemischen Reaktion durch den Katalysator auf die reiche Mischung beschränkt bleiben kann. Dem Kraftstoff-Luftgemisch kann so der Sauerstoff entzogen werden und es kann eine unvollständige Verbrennung erfahren.
• Die zur Verfügung stehende Zeit zum Erreichen dieses Mischens, das stattfindet, wenn sich beide Kolben auf die UT-Lage zubewegen, ist kurz, und der Motor umfaßt die Mittel, die sicherstellen, daß die Luft und der Kraftstoff in der Verbrennungskammer 20 nahe am UT ausreichend gut vermischt werden, um die Bewegung einer Flammenfront weg von der Katalysatoroberfläche zu fördern, wo die Zündung stattfindet. Das Vermischen des anfänglichen Kraftstoff-Luftgemisches, das vom Nebenzylinder 14 zugeführt wird, mit der restlichen Luft, die der Verbrennungskammer mittels des größeren Kolbens 16 zugeführt wird, resultiert in einem Gemisch innerhalb der Zündgrenzen, das eine Flamme außerhalb der Zone direkten Kontakts mit dem Katalysator 22 aufrechterhalten kann.
• Neben dem Nebenkolben 18 an seiner UT-Lage wird eine Trennwand 38 bereitgestellt. Sie ist mit Öffnungen 40 versehen, die die Geschwindigkeit erhöhen, mit der das anfängliche Kraftstoff- Luftgemisch in die Verbrennungskammer 20 eindringt.
• Die Verbrennungskammer ist so geformt, daß ein Wirbel erzeugt wird (zum Beispiel ein Zylinder, eine Sphäre oder ein Sphäroid), und die Öffnungen 40 können das anfängliche Kraftstoff-Luftgemisch mit einer Rotations- oder Radialbewegung versehen, wenn es in die Verbrennungskammer eintritt.
• In dem Motor der Figuren 2 bis 5 sind die Zylinder 12, 14 mit ihren Achsen rechtwinklig zueinander angeordnet. Wie ebenfalls ersichtlich ist, ist die Verbrennungskammer 50 im allgemeinen zylindrisch, obwohl jede andere geeignete Gestalt, die eine Rotation der Gase ermöglicht, verwendet werden kann. Die Verbrennungskammer ist mit ihrer Längsachse im wesentlichen rechtwinklig zu den beiden Achsen der Zylinder 12 und 14 angeordnet, obwohl auch hier jede andere geeignete Orientierung verwendet werden kann. Die Verbrennungskammer selbst ist in einem herausnehmbaren Behältnis 46 enthalten, welches das Entfernen und Ersetzen der Verbrennungskammer und somit des Katalysators 22 ermöglicht, sollte sich dies als notwendig oder wünschenswert erweisen (zum Beispiel zum Erneuern oder Reinigen).
• Wie oben erwähnt wird der Wirbel in der Verbrennungskammer, der zur Vermischung von Kraftstoff und Luft beiträgt, dem Motor zugute kommen. Ein Wirbel kann in der Verbrennungskammer induziert werden, wenn der Hauptkolben Luft mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente durch einen tangentialen Schlitz 44 in sie hineinführt.
• Eine Art und Weise, ein sehr schnelles Vermischen in der Verbrennungskammer 20 zu fördern, ist es, die Kammerform zylindrisch oder sphärisch oder sphäroidisch zu gestalten, und Luft vom Hauptzylinder durch eine so positionierte Öffnung in die Verbrennungskammer einzuführen, daß eine schnelles Herumwirbeln oder eine Wirbelbewegung in der Luft innerhalb der Verbrennungskammer induziert wird. Das Kraftstoff- Luftgemisch kann vom Nebenzylinder 14 her auf eine ähnliche Art und Weise, oder radial oder axial, in die Verbrennungskammer eintreten.
• Wie in den Figuren 2, 4 und 5 ersichtlich ist, hat die Verbrennungskammer 50 einen Eintrittsschlitz 44, der tangential in die Verbrennungskammer 50 einmündet. Dieser führt Luft mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente vom Hauptzylinder 12 in die Verbrennungskammer hinein, um die Luft zu veranlassen, mit hoher Geschwindigkeit in einer wirbelartigen Bewegung zu rotieren, so daß in der Verbrennungskammer ein Wirbel induziert wird.
• Das Verbrennungskammerbehältnis 46 ist ebenfalls mit einer Öffnung 48 versehen, um das Einsetzen einer Glühkerze 52 oder einer Zündkerze oder eines anderen geeigneten Zünders zur Verwendung für das Anlassen des Motors zu ermöglichen.
• Die Figuren 6 und 7 zeigen die Verbrennungskammer 50 und das Behältnis 46 aus den Figuren 2 bis 5 in größerem Detail, wobei die Öffnung 48 ausgelassen ist. In diesem Fall tritt das Kraftstoff-Luftgemisch radial durch den Schlitz 40 in die Verbrennungskammer 20 ein, während Luft tangential durch den Schlitz 44 eintritt, so daß sie in der Kammer in einer Wirbelbewegung rotiert. In Figur 6 wird die katalytisch gemachte Oberfläche 22 in einem Abstand X vom Schlitz 40 beginnend gezeigt. Das kann eingesetzt werden, um zu einer Zündverzögerung beizutragen.
• Die Figuren 8 und 9 zeigen eine weitere Mischanordnung für die Verbrennungskammer 50, in der sowohl das Kraftstoff- Luftgemisch aus dem Zylinder 14 als auch Luft vom Zylinder 12 der Verbrennungskammer mit einer bezogen auf die Kammer tangentialen Geschwindigkeitskomponente zugeführt werden, was in zwei Gasströmungen resultiert, die sich in gegensätzliche Richtungen bewegen.
• In der Verbrennungskammer 50 und dem Behältnis 46, die in den Figuren 10 und 11 gezeigt werden, wird für die Luft vom Zylinder 12 und das anfängliche Kraftstoff-Luftgemisch vom Zylinder 14 ein kombinierter Schlitz 40, 44 bereitgestellt. Dieser induziert Wirbel in der gleichen Richtung für beide Gasströmungen.
• Die Figuren 12 und 13 zeigen eine Verbrennungskammer ähnlich der aus den Figuren 6 und 7, bei der aber die Verbrennungskammer 61 sphärisch ist.
• Die tangentialen Eintrittsschlitze für die Verbrennungskammern aus den Figuren 6 bis 13 induzieren schnelle Wirbelbewegungen in der Verbrennungskammer, die ein schnelles Vermischen während der Zündung und während des Verbrennungsvorgangs unterstützen sollen. Dadurch wird der Flamme ermöglicht, den größten Teil des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer zu erreichen. Die kontinuierliche Rotation der Gase bringt auch unverbrannten Kraftstoff mit der katalytischen Oberfläche in Kontakt, wo er sich entzündet. Die Verwendung einer zylindrischen (oder sphärischen) Verbrennungskammer, bei der der Katalysator die Wände überdeckt, hat zum Ergebnis, daß die Zündung über einer Oberfläche induziert wird, so daß die Flamme sich schnell von der Oberfläche nach innen zum inneren Volumen der Verbrennungskammer ausbreitet.
• Ein Vorteil des Motors aus den Figuren 2 bis 5 besteht darin, daß er einen niedrigeren Motor zum Ergebnis hat, und der Katalysator 22 kann aus dem Motorkopf 62 als ein herausnehmbares und daher erneuerbares Behältnis herausgezogen werden, ohne daß der Motorkopf vom Hauptzylinderblock abmontiert werden müßte.
• In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 14 und 15 erstreckt sich die Längsachse der Verbrennungskammer 50 in die gleiche Richtung wie die des Zylinders 14 und ist vorzugsweise koaxial mit oder parallel zu der des Zylinders 14.
• In diesem Ausführungsbeispiel wird Luft vom Luftzylinder 12 tangential durch den Schlitz 44 in die Verbrennungskammer eingeführt, wodurch in der Kammer eine Wirbelbewegung induziert wird. Das anfängliche Kraftstoff-Luftgemisch vom Nebenzylinder tritt axial durch die Öffnungen 40 in der Trennwandoberfläche 38 in die Verbrennungskammer ein und wird durch die Wirbelbewegung der Luft vom Zylinder 12 auf den Katalysator "geschmiert", wo sich der Kraftstoff beim Kontakt mit dem Katalysator entzündet. Die Figuren 16 bis 18 zeigen eine weitere Ausführung des Verbrennungskammerbehältnisses 46, in der die Trennwandoberfläche als eine Endwand des Verbrennungskammerbehältnisses ausgebildet ist, bei der gekrümmte Öffnungen 40 in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind.
• Die Figuren 19 bis 21 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, in dem das Quetschprinzip eingesetzt wird, um den Vermischungsvorgang weiter zu unterstützen. Auf dem Boden des Hauptkolbens 16 ist ein rechtwinkliger Vorsprung 66 ausgebildet, um nahe am UT "Quetschen" zu fördern. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bildet das Verbrennungskammerbehältnis 46 aus den Figuren 19 bis 21 nicht einen Teil der Zylinderkopfwand, die den Zylinder 12 umschließt, sondern ist vom Zylinder 12 mittels eines Abschnitts des Zylinderkopfes 62 beabstandet. Der Zylinder 12 steht mit dem Eintrittsschlitz EP U 236 057 44 der Verbrennungskammer 60 über einen "Quetsch"-schlitz 68 in Verbindung, der durch den Zylinderkopf geführt ist.
• Wie aus den Figuren 19 und 20 ersichtlich ist, nimmt der Vorsprung 66 den "Quetsch"-schlitz 68 nur teilweise ein, wenn der Kolben 16 sich dem UT nähert, so daß beim Eintritt des Vorsprungs 66 in den Schlitz 68 die restliche im Zylinder 12 gefangene Luft durch den schmaleren Abschnitt 70 des Schlitzes 68 gezwungen wird, welcher offenbleibt, so daß die Geschwindigkeit der Luft erhöht wird und das Vermischen mit dem Kraftstoff-Luftgemisch gefördert wird, das vom Nebenzylinder 14 her in die Verbrennungkammer 60 eintritt.
• Der Schlitz 68 erstreckt sich entlang der ganzen Länge der Verbrennungskammer 60, wie auch der Eintrittsschlitz 44, und der Vorsprung 66 ist so geformt und positioniert, daß der nicht vom Vorsprung 66 eingenommene Abschnitt 70 des Schlitzes 68 sich neben der Nebenzylinderseite der Verbrennungskammer befindet. Dadurch wird gewährleistet, daß während der Endphase des Verdichtungshubs zusätzliche Luft nahe an der Nebenzylinderseite konzentriert wird, und dient dazu, dazu beizutragen, einen vorzeitigen Kontakt des Kraftstoff- Luftgemisches vom Nebenzylinder 14 mit dem Katalysator zu verhindern.
• Ein wichtiger Vorteil der Anordnung aus den Figuren 2 bis 21 liegt darin, daß es die Umwandlung eines bestehenden Motors in eine Konfiguration mit katalytischem Motor ermöglicht, indem der Zylinderkopf durch den Kopf eines katalytischen Motors ersetzt wird, der nicht hoher zu sein braucht als der normale Motorkopf, jedoch etwas breiter sein wird.
• Die Figuren 22 und 23 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Figur 22 ist eine Draufsicht, in der eine Anordnung zweier Zylinderpaare 12, 14 dargestellt wird, die es allen Zylindern ermöglicht, eine gemeinsame Kurbelwelle 54 zu haben (mit einer oder ohne eine Kipphebelanordnung für die Pleuelstangen des Nebenzylinders). In dieser Anordnung befindet sich die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 eines jeden Kraftstoffsteuerungszylinders 14 im Zylinderkopf 62, kann aber ebenso in der Zylinderwand positioniert sein, wie an den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 21 dargestellt.
• Figur 24 zeigt eine dreiecksförmige Mehrfachzylinder- Anordnung, die für Schwerlastfahrzeuge geeignet ist. Diese Anordnung wird gemäß dem Zweitaktprinzip betrieben. Bei jedem Arm der dreieckigen Anordnung liegen Haupt- und Nebenzylinder 12, 14 in einer Reihe, wobei Druckluft durch die Einlaßschlitze 74 eingeführt wird und Abgase auf die gewohnte Art und Weise durch Auslaßschlitze ausgestoßen werden, die durch die Kolben 14, 16 freigegeben werden. Drei Kurbelwellen 57 werden bereitgestellt, die jeweils mit einem Hauptkolben 16 und einem Nebenkolben 14 benachbarten Armen der Anordnung verkuppelt sind. Eine oder mehr dreiecksförmige Abschnitte können hinzugefügt werden, um sechs oder mehr Zylinder bereitzustellen.
• In der dreiecksförmigen Anordnung können drei wirbelartige Verbrennungskammerbehältnisse 46 verwendet werden und sie kann mit drei Schlitzen 34 für Niedrigdruck- Kraftstoffeinspritzvorrichtungen in jedem Abschnitt versehen sein.
Die Zeiteinstellung für die Zündung
• Der Motor verfügt über keine äußeren Mittel zur Zeiteinstellung des Zündvorgangs. Das ist am besten im Vergleich mit einem Funkenzündmotor zu verstehen, dessen Zeiteinstellung mittels des Funkens erfolgt, oder mit einem Dieselmotor, dessen Zeiteinstellung mittels der Einspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer erfolgt, wo die verdichtete Luft heiß genug ist, um den Zündvorgang in Gang zu setzen. Im erfindungsgemäßen bevorzugten Motor folgt auf das "Hineindrängen" des reichen Kraftstoff-Luftgemisches mittels des Nebenkolbens 18 durch den Schlitz 40 in die Verbrennungskammer zunächst die teilweise Vermischung des Kraftstoffs mit Luft in der Kammer, und wenn Kraftstoffmoleküle mittels des Luftkörpers, der in einer Wirbelbewegung in der Verbrennungskammer rotiert, auf die katalytisch gemachte Wand der Verbrennungskammer geschmiert werden, wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, die zur Zündung des Großteils des Kraftstoffs führt.
• Der Mischvorgang dauert während der Zündung und Verbrennung bei andauernden Wirbelbewegungen der Gase an. Nach der anfänglichen Zündung fahren die rotierenden Gase fort, in Kontakt mit der Katalysatoroberfläche zu treten und ermöglichen so, daß durch wiederholten Kontakt mit dem Katalysator und/oder durch Flammenfortpflanzung ein kontinuierlicher Zündungsvorgang stattfindet. Die Zündung erfolgt über dem größten Teil der inneren Oberfläche der Verbrennungskammer, wodurch eine schnelle und vollständige Verbrennung gewährleistet wird. Die Steuerung der Zeiteinstellung der Zündung des Motors kann mittels eines einzigen oder einer Kombination der folgenden Punkte durchgeführt werden.
• a) Einstellung der Beabstandung 64 (Abstand X) der Katalysatoroberfläche von der UT-Lage des kleinen Kolbens 18, die in der Herstellungsphase festgesetzt wird.
• b) Die Reduzierung des Drucks, und somit der Temperatur, der bzw. die vom Motor am Punkt des kleinsten Volumens hervorgebracht wird. Das kann erreicht werden, indem die Luftzufuhr in den laufenden Motor gedrosselt wird, zum Beispiel mit dem Drosselventil 32.
• Das ermöglicht die Steuerung der Zeiteinstellung der Zündung, während der Motor in Betrieb ist. Je schneller der Motor rotiert, desto weniger Drosselung ist erforderlich, da der volumetrische Wirkungsgrad eines Motors sich bei wachsender Motorgeschwindigkeit verringert. Außerdem kann eine leicht vorgezogene Zündung bei höheren Motorengeschwindigkeiten wünschenswert sein, um eine Zündverzögerung, und sei sie noch so klein, aufzufangen.
• c) Der kleine Kolben 18 kann mit dem größeren Kolben 16 so verkoppelt werden, daß er mit einem leichten vorher festgesetzten Rückstand bzw. Vorsprung relativ zum größeren Kolben versehen ist. Auf diese Art und Weise kann das in Gang Setzen der Verbrennung verzögert/vorgezogen werden, je passend zu einer bestimmten Verbrennungskammerkonstruktion und einem bestimmten Kraftstoff.
Anlassen des Motors
• Da der Motor ein Motor mit Verdichtungszündung ist, benötigt er für ein schnelles Anlassen, besonders aus dem kalten Zustand, Unterstützung von außen. Das wird vorzugsweise durch die Verwendung einer Glühkerze in der Verbrennungskammer erzielt, die erregt wird, während der Motor von einem Anlaßmotor angekurbelt wird. Alternativ kann zum Anlassen mittels eines kontinuierlichen Funkenstroms, der zum Beispiel elektronisch erzeugt wird, eine kleine Zündkerze mit Zugang zur Verbrennungskammer während des Ankurbelns erregt werden.
Der Betrieb des Motors
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele arbeiten im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise, und die folgende Beschreibeung trifft im allgemeinen auf jeden der Viertaktmotoren zu.
Einlaßhub
• Nachdem die Kolben, vorzugsweise zusammen, den UT erreicht haben, öffnet sich das Einlaßventil, um Luft in den Motor zu lassen, und beide Kolben 16, 18 beginnen mit dem Einlaßhub. Ein Teil der eingelassen Luft wird durch die Verbrennungskammer in den kleineren Zylinder 14 gesaugt. Es kann vorteilhaft sein, die Luft mit Wirbel zu versehen, wenn sie durch die Einlaßleitung in den Motor eintritt, dadurch daß die Luft in tangentialer Richtung zum Zylinder 12 geführt wird oder durch ein teilweises Abdecken des Einlaßventils. Nachdem der Nebenkolben 18 den Kraftstoffeinspritzschlitz freigegeben hat, wird flüssiger Kraftstoff in zerstäubter Form in die Luft im Nebenzylinder 14 gesprüht.
Verdichtungshub
• Nachdem sie den OT erreicht haben, beginnen die beiden Kolben 16, 18 mit dem Verdichtungshub. Kraftstoff kann weiter in den Nebenzylinder 14 eingespritzt werden, bis der Nebenkolben 18 den Einspritzschlitz während der Anfangsphase des Verdichtungshubs überdeckt.
• Der durch die Verdichtung hervorgebrachte Druck- und somit Temperaturanstieg trägt dazu bei, die flüssigen Kraftstofftröpfchen im Nebenzylinder 14 zu verdampfen. Dies verringert wiederum die Temperatur und den Druck des Kraftstoff-Luftgemisches im Nebenzylinder 14, verglichen mit der Temperatur und dem Druck im Haupt-Luftzylinder 12. Als Ergebnis dieser Druckdifferenz wandert Luft durch die Verbrennungskammer 20 vom Hauptzylinder 12 in den Nebenzylinder 14 und hält so die katalytisch gemachte Oberfläche in der Verbrennungskammer 20 ausschließlich mit der Luft in Kontakt. Dieser Vorgang stellt auch zusätzliche Luft zum Vermischen mit dem Kraftstoff-Luftgemisch im Nebenzylinder 14 bereit, und er hat eine kompensierende Wirkung, insofern als je mehr Kraftstoff in den Zylinder gesprüht wird, desto größer ist der Kühleffekt und folglich wandert eine desto größere Luftmasse in das kraftstoffreiche Gemisch und hält so die Änderungen im Kraftstoff-Luft-Massenverhältniss klein bei sich ändernden Ladungen.
• Wie oben erwähnt wird die Luft, die der Verbrennungskammer 20 mittels des Hauptkolbens 16 während des Verdichtungshubs zugeführt wird, in der Verbrennungskammer in eine Wirbelbewegung gezwungen und unterstützt so ein schnelles Vermischen mit dem aus dem Kraftstoff-Luftgemisch gebildeten Gas, das der Verbrennungskammer mittels des Nebenkolbens 18 zugeführt wird.
• Falls die Quetschmethode ebenfalls verwendet wird, um zum schnellen Vermischen der Gase beizutragen, wird, wenn der Hauptkolben 16 sich dem UT nähert, der größte Teil der Luft, der innerhalb des "Quetsch"-volumens gefangen ist (Figuren 19 bis 21), durch die Transferschlitze 68, 44 hindurchgezwungen, um dann in die Verbrennungskammer 20 an oder neben dem Ende, das dem Nebenkolben 18 am nächsten liegt, einzutreten.
• Durch diesen Vorgang wird gewährleistet, daß mehr Sauerstoff mit dem reichen Kraftstoff-Luftgemisch am dem Nebenzylinder nächsten Ende der Verbrennungskammer vermischt wird, zu der Zeit, zu der dieses in die Verbrennungskammer eintritt, wenn sich die Kolben nahe zum UT bewegen. Das zusätzliche Gasvolumen zu diesem Zeitpunkt trägt auch dazu bei, den Gasen eine höhere Geschwindigkeit zu geben, wenn sie durch den Schlitz 40 gezwungen werden, und gewährleistet eine gute Verteilung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer und insbesondere die Verfügbarkeit von Kraftstoff nahe der katalytisch gemachten Oberfläche. Die katalytisch gemachte Oberfläche kann so positioniert sein, daß sie in einigem Abstand von dem Schlitz beginnt, so daß die Ankunft des Kraftstoffs an der katalytisch gemachten Oberfläche ungefähr dann stattfindet, wenn die Kolben den UT erreichen.
• Auf den Kontakt des Kraftstoff-Luftgemisches mit der katalytisch gemachten Oberfläche hin wird eine chemische Reaktion an dieser Oberfläche in Gang gesetzt, und das erhöht die Temperatur und fördert die Zündung der restlichen Gase. Die aufgrund der Verbrennung erfolgende Expansion der Gase ist von der katalytisch gemachten Oberfläche weg und in den restlichen unverbrannten Kraftstoff und die restliche Luft hinein gerichtet, und das trägt zur weiteren Vermischung der Gase in der Verbrennungskammer bei. Da die Zündung nicht an einem einzigen Punkt stattfindet, wie bei der Funkenzündung, sondern fast gleichzeitig über der ganzen katalytisch gemachten Oberfläche stattfindet, ist die Reaktionsgeschwindigkeit sehr hoch, wodurch dem Motor ein Betrieb bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten ermöglicht wird.
Expansionshub
• Beide Kolben bewegen sich weg vom UT und erlauben so den verbrannten Gasen sich auszudehnen und mittels der Kolben an den Kurbelwellen Arbeit zu verrichten.
Auslaßhub
• Das Auslaßventil öffnet sich und ermöglicht so, daß die Verbrennungsprodukte mittels der beiden Kolben, die sich in Richtung des OT bewegen, ausgestoßen werden. Einige der Produktgase, die in der Verbrennungskammer verbleiben, können im Zylinder verbleiben, um sich dann mit der einströmenden Luft zu vermischen.
• Die verschiedenen erfindungsgemäßen Motorausführungen, die unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurden, schließen einen fundamental neuen Zugang zum Verbrennungsprozeß ein, der zu einem großen Anteil die vom Motor erzielte Sparsamkeit und Abgasemission bestimmt und zu folgenden Vorteilen führt:
• 1. Verwendung hoher Verdichtungsverhältnisse (12-16:1)
• 2. Verwendung bleifreien Benzins mit niedriger Oktanzahl
• 3. Fähigkeit zur Armverbrennung, geringe Abgasemission
• 4. Einfaches Kraftstoffeinspritzsystem
• 5. Keine funkenelektronischen Geräte
• 6. Hohe Rotationsgeschwindigkeiten
• 7. Schnelle Verbrennung, hohe spezifische Leistungsabgabe
• 8. Alternative zum Funkenzündmotor und zum Dieselmotor
• 9. Viertakt- oder Zweitaktumlauf
• 10. Herausnehmbare Verbrennungskammer zur Katalysatorwartung
• 11. Abgasrohr-Emissionssteuerung entfällt
• 12. Zylinderkopfumwandlung bei bestehenden Motoren moglich
• 13. Verringerte Pumpverluste bei Teilbeladung
• 14. Zweckmäßige Motorendesignanordnung für leichten Zugang und leichte Wartung
• Die vorliegende Erfindung ist zwar mit Bezug auf eine Zündung mittels eines Katalysators beschrieben und illustriert worden, jedoch ist es auch möglich, statt des Katalysators eine Funkenzündvorrichtung oder eine Zündvorrichtung mit heißer Oberfläche zu verwenden, wie etwa eine kontinuierlich arbeitende Zündkerze oder eine Glühkerze 52 (Figur 4) in der Öffnung 48 oder eine heiße Keramikoberfläche. Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele gilt gleichermaßen für die Verwendung von Funkenzündvorrichtungen und Vorrichtungen mit heißer Oberfläche. Die heiße Keramikoberfläche kann in der Verbrennungskammer als einen Teil oder die Gesamtheit der Oberfläche der Verbrennungskammer bildend positioniert werden, wie oben für den Katalysator beschrieben. Die Kombination aus dem Kraftstoffsteuerungszylinder und den Wirbelmischmitteln ermöglicht auch hier die Verwendung eines hohen Bereichs von Verdichtungsverhältnissen von 12:1 bis 16:1 mit Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl, unabhängig von der Art der Zündmittel.
• Für Fachleute versteht es sich von selbst, daß jedes Merkmal, das unter Bezug auf ein beliebiges Ausführungsbeispiel eines Motors beschrieben wurde, auch bei jedem anderen Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann.

Claims (19)

1. Verbrennungsmotor, der folgendes umfaßt:

mindestens ein Paar erster und zweiter Zylinder (12, 14), wobei der besagte erste Zylinder (12) ein größeres Hubvolumen als der besagte zweite Zylinder (14) aufweist;

eine an den Kopfenden der besagten Zylinder (12, 14) diese verbindende Verbrennungskammer (20, 50);

dauerbetriebsfähige Zündmittel (22) in der besagten Verbrennungskammer;

jeweils erste bzw. zweite Arbeit verrichtende Kolben (16, 18), die in den besagten Zylindern (12, 14) auf die besagte Verbrennungskammer (20, 50) zu und von ihr wegbewegbar sind;

erste Mittel (24, 32) für die Zufuhr von Luft oder dergleichen in den besagten ersten Zylinder (12) während eines Einlaßhubs des besagten ersten Kolbens (16);

zweite Mittel (26, 34) für die Zufuhr von Kraftstoff zum besagten zweiten Zylinder (14);

erste bzw. zweite Schlitzöffnungen (44, 40) zur Verbindung jeweils der besagten ersten und zweiten Zylinder (12, 14) mit der besagten Verbrennungskammer (20, 50);

und Mittel, um die Bewegung des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem besagten zweiten Zylinder in die besagte Verbrennungskammer bis gegen das Ende des Verdichtungshubs zu hemmen;

und wobei der besagte zweite Zylinder so betrieben werden kann, daß er der besagten Verbrennungskammer aus dem besagten zweiten Zylinder das Kraftstoff-Luftgemisch im wesentlichen als Gasströmung zuführt;

dadurch gekennzeichnet,

daß es sich bei den besagten Mitteln zur Hemmung der Bewegung des Kraftstoff-Luftgemisches um den Druck der in der besagten Verbrennungskammer wirbelnden Luft handelt, was dadurch veranlaßt wird, daß die besagte erste Schlitzöffnung (44) in die besagte Verbrennungskammer (20, 50) in einer solchen Richtung einmündet, daß Luft aus dem besagten ersten Zylinder (12) der besagten Verbrennungskammer mit einer tangential zur besagten Verbrennungskammer verlaufenden Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird, und daß die besagte Verbrennungskammer (20, 50) so gestaltet ist, daß sie zur Bildung einer Wirbelbewegung in der Luft beiträgt.

2. Motor nach dem Anspruch 1, wobei die Verbrennungskammer eine innere Oberfläche aufweist, die im wesentlichen mindestens um eine Achse kontinuierlich gekrümmt ist.

3. Motor nach dem Anspruch 2, wobei die besagte Achse im wesentlichen rechtwinklig zur Achse des besagten ersten Zylinders liegt.

4. Motor nach dem Anspruch 2 oder 3, wobei die besagte Verbrennungskammer einen Teilabschnitt davon von im wesentlichen kreisförmiger oder elliptischer Form aufweist.

5. Motor nach dem Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die besagte Verbrennungskammer im wesentlichen zylindrisch ist.

6. Motor nach dem Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die besagte Verbrennungskammer im wesentlichen sphäroidisch ist.

7. Motor nach dem Anspruch 6, wobei die besagte Verbrennungskammer im wesentlichen sphärisch ist.

8. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die besagte zweite Schlitzöffnung (40) in die besagte Verbrennungskammer (20, 50) in einer solchen Richtung einmündet, daß das besagte Kraftstoff-Luftgemisch der Verbrennungskammer im wesentlichen entlang einer Achse der Verbrennungskammer zugeführt wird.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die besagte zweite Schlitzöffnung (40) in die besagte Verbrennungskammer (20, 50) in einer solchen Richtung einmündet, daß das besagte Kraftstoff-Luftgemisch radial zur Verbrennungskammer dieser zugeführt wird.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die besagten Schlitzöffnungen (44, 40) in die besagte Verbrennungskammer (20, 50) jeweils in einer solchen Richtung einmünden, daß die besagte Luft und das besagte Kraftstoff- Luftgemisch der besagten Verbrennungs-kammer als Gasströmungen zugeführt werden, die sich in entgegengesetzter Richtung bewegen.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die besagten Schlitzöffnungen (44, 40) in die besagte Verbrennungskammer (20, 50) jeweils in einer solchen Richtung einmünden, daß die besagte Luft und das besagte Kraftstoff- Luftgemisch der besagten Verbrennungs-kammer als Gasströmungen zugeführt werden, die sich im wesentlichen in gleicher Drehrichtung bewegen.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die besagten ersten und zweiten Zylinder (12, 14) mit ihrer jeweiligen Längsachse im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

13. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der besagte zweite Zylinder (14) einen in einer Seitenwandung des besagten Zylinders gebildete Kraftstoffeinlaßschlitz (34) und ein Kraftstoffeinspritzmittel (36) aufweist, um Kraftstoff durch den besagten Schlitz einzuspritzen, und wobei der besagte Schlitz (34) mit einem derartigen Abstand von der oberen Totpunktlage des besagten zweiten Kolbens (18) angeordnet ist, daß die von dem Motor benötigte maximale Kraftstoffeinspritzdauer zumindest der Zeitdauer entspricht, während welcher der Schlitz von dem besagten Kolben freigegeben wird.

14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die besagten Kolben (16, 18) sich in einem festen Phasenverhältnis zueinander befinden.

15. Motor mit Verdichtungszündung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die besagten Zündmittel (22) Katalysatorzündmittel sind.

16. Motor mit Verdichtungszündung nach dem Anspruch 15, wobei die besagten Katalysatorzündmittel (22) durch einen an einer Wandung der besagten Verbrennungskammer (20, 50) gebildeten Katalysator dargestellt werden.

17. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die besagten Zündmittel (22) Funkenzündmittel sind.

18. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die besagten Zündmittel (22) Zündmittel mit heißer Oberfläche sind.

19. Motor nach dem Anspruch 1, der weiterhin eine mechanische Kupplung zwischen den Kolben umfaßt, die die Kolben im Verhältnis zueinander bewegen läßt, um einen zusätzlichen Druckunterschied zwischen der Verbrennungskammer (20, 50) und dem zweiten Zylinder (14) zu verursachen, um die Strömung des Kraftstoff-Luftgemisches aus dem zweiten Zylinder (14) in die Verbrennungskammer (20, 50) zur Zündung durch die besagten Zündmittel zu hemmen, bis der besagte erste Kolben die innere Totpunktlage einnimmt oder ihr nahe ist.