DE3802364A1

DE3802364A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3802364A1
Application number: DE19883802364
Authority: DE
Inventors: Walter Ludwig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1989-08-10

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit minde stens zwei oder mehr Zylindern, die je einen Hauptkolben und einen diesen als Zylinderlaufbuchse umgebenden nachei lenden Universalkolben aufweisen, ferner mit je einer vom Zylinderkpf aus in den Brennraum hineinragenden Ringwand, mit welcher der zum oberen Totpunkt bewegte Universalkolben vom Brennraum eine zur Nachverdichtung vorgesehene Ringkam mer abtrennt, und mit einem in den Brennraum übergehenden, von der Rinwand umgebenden Kompressionsraum.

Bei einer aus der DE-PS 20 34 299 bekannten Brennkraftma schine der vorbezeichneten Art hat man bereits versucht, die Verbrennungsphase zu verlängern und die im Brennraum auftretenden Druckspitzen abzuflachen. Um den zur Verfügung stehenden Arbeitsdruck auf einen größeren Kurbelwinkelbe reich zu verteilen, wird die Zündung erst etwa 30° hinter dem oberen Totpunkt des Hauptkolbens durchgeführt und ande rerseits durch den Universalkolben eine Verbindung zwischen Brennraum und der verdichteten Luft enthaltenden Ringkammer erst freigegeben, wenn die Kurbel des Hauptkolbens sich bei einem Kurbelwinkel von etwa 45° befindet. Die mit kompri mierter Luft gefüllte Ringkammer soll dann als Nachbrenn kammer zur vollständigen Verbrennung des Gemisches wirksam sein. Die nachträgliche Sauerstoffzufuhr zu dem erst teil weise verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisch sorgt über einen größeren Bereich des Arbeitshubes für eine länger gleich bleibende Druckhöhe.

Da es sich bei den gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen überwiegend um Zweitaktmotoren handelt, kommt dem Problem der Spülung und der Abführung der Abgase erhöhte Bedeutung zu. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern und weiter auszugestalten, daß unter Beibe haltung der in bekannter Art vorteilhaft verlängerten Ver brennungsphase und Einebnung der Druckspitzen im Brennraum eine intensivere Spülung und dadurch gleichzeitig eine ver besserte Aufladung im Zylinder erreicht werden, damit gege benenfalls außerdem mit Hilfe der erhöhten Verdichtung eine Zündung durch Kraftstoff-Direkteinspritzung möglich wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

a) Die vom Zylinderkopf ausgehende Länge der Ringwand läßt eine direkte Verbindung zwischen Ringkammer und Brenn raum erst zu, wenn der Hauptkolben etwa zwei Drittel seines Arbeitshubes zurückgelegt hat;
b) der Universalkolben ist am unteren Ende mit einem erwei terten Kolbenabschnitt in einem Verdichterzylinder ge führt;
c) zwischen dem Verdichterzylinder und der Ringkammer eines benachbarten Zylinders mit unter Kurbelwinkelversatz von 180° laufenden Kolben besteht eine Verbindung.

In weiterer Ausgestaltung kann der Kompressionsraum mit der Ringkammer durch Radialkanäle kleinen Durchmessers verbun den sein, die einen Gasaustausch ermöglichen, jedoch das Ausbreiten einer Flammfront verhindern.

Im Betrieb der vorgeschlagenen Bauform sorgen die mit der Ringkammer in Verbindung stehenden oberen Radialkanäle da für, daß nach der ungefähr im oberen Totpunkt des Hauptkol bens erfolgten Zündung aus dem anschließend von Universal kolben noch weiter verdichteten Volumen in der Ringkammer dem Kompressionsraum von oben her zusätzliche Verbrennungs- bzw. Spülluft zugeführt wird, während der Hauptanteil der in der Ringkammer gespeicherten Luft erst dann direkt Ver bindung zum Brennraum erlangt, nachdem der Hauptkolben un gefähr zwei Drittel seines Arbeitshubes zurückgelegt hat. Aufgrund der dadurch herbeigeführten nachträglichen Ver brennung auf dem letzten Drittel des Kolbenhubes wird die Motorleistung durch ein größeres bzw. länger andauerndes Drehmoment günstig beeinflußt.

Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet der mit dem erweiterten Kolbenabschnitt des Universalkol bens im Verdichterzylinder geschaffene wirksame Spüleffekt, bei dem eine zusätzliche Spülluftmenge vollständig unabhän gig vom sonstigen Ansaug-, Verbrennungs- und Spülablauf ge speichert und erst dann über eine besondere Verbindung zu einem benachbarten Zylinder zugeführt wird, nachdem die Öffnung des Verbindungskanals vom oberen Abschnitt des Uni versalkolbens freigegeben worden ist, d. h. nachdem schon über die aus der Ringkammer freigegebene Luftmenge die Ver brennungsphase verlängert und der Spülvorgang teilweise eingeleitet worden ist. Die Spülung kann nunmehr mit aus reichend zur Verfügung stehender Spülluft intensiv beendet werden. Dabei ist es durch sinnvolle Anordnungen der Spül- und Auslaßschlitze und der Überführungsöffnungen sowie ge eigneter Auswahl der Kurbelwinkel zwischen Haupt- und Uni versalkolben möglich, einen Optimalwert zu bestimmen, der zwischen einem noch weiter verbesserten Spülergebnis - bei verlängerter Öffnungszeit der Auslaßschlitze - und einer erhöhten Aufladung - durch früheres Abschließen der Auslaß schlitze bei der Zufuhr von verdichteter Spülluft - liegt.

Sowohl die durch Aufladung erreichte erhöhte Zylinderlei stung als auch die intensive gerichtete Spülung ermöglichen die Ausgestaltung zu einem umweltfreundlichen Motor, indem gegen Ende des Arbeitshubes Wasser in den Brennraum einge spritzt wird. Dadurch werden die Abgase gebunden und belie big weit kondensiert. Der im Brennraum entstehende Dampf wird vollständig von der Spülluft ausgetragen.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen, deren Merkmale einzeln oder in anderer Kombina tion weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen parallel zur Achse der Kurbelwelle geführ ten senkrechten Schnitt durch eine Brennkraftma schine mit zwei nebeneinander angeordneten Zylin dern gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen senkrechten Längsschnitt durch einen Zylin der einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung senkrecht zur Achse der Kurbelwelle, wobei in einer Darstellungsfolge nebeneinander der Haupt kolben und der Universalkolben in verschiedenen darunter schematisch angegebenen Kurbelwinkel stellungen gezeigt sind.

Entsprechend Fig. 1 sind auf einer an nicht gezeigter Stel le im Motorgehäuse 10 drehbar gelagerten Kurbelwelle 34 für jeden Zylinder an unterschiedlich weit von der Kurbelwel lenachse entfernten Kröpfung (Kurbelarmen) je eine Pleul stange 32 für einen Hauptkolben 30 und eine kürzere Pleul stange 40 für einen den Hauptkolben als Zylinderlaufbuchse umgebenden Universalkolben 44 gelagert. Obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform die Anordnung so getroffen ist, daß in normaler Drehrichtung der Kurbelwelle 34 der Univer salkolben 44 dem Hauptkolben 30 um ungefähr 30° nacheilt, worauf weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 2 eingegangen wird, können grundsätzlich auch an dere Kurbelwinkelabstände gewählt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Abweichend davon sind in Fig. 1 beim linken Zylinder Hauptkolben und Universalkolben gleichzeitig in ihren obersten Stellungen und beim rechten Zylinder in ihren untersten Stellungen aus Gründen der bes seren Übersicht gezeigt.

Im Motorgehäuse 10 sind die Zylinder durch in eingegossene und eingearbeitete Öffnungen eingebaute Zylinder-Einsatz teile 12 definiert. Jeder Zylinder ist nach oben durch ei nen Zylinderkopf 18 abgeschlossen, auf dem ein Benzinein spritzventil 20 und evtl. ein Wasser-Einspritzventil 22 an geordnet ist. Eine vom Zylinderkopf 18 ausgehende Ringwand 24 ragt in den Zylinderraum hinein und bildet innerhalb der Ringwand einen Kompressionsraum 26 und außerhalb der Ring wand zusammen mit einer zum Gehäuse gehörenden Außenwand 14 eine Ringkammer 28.

Gemäß Fig. 1 befindet sich der Hauptkolben 30 des linken Zylinders an seinem oberen Totpunkt nahe der Unterseite der Ringwand 24. Man erkennt, daß die Zündung des mit gegebe nenfalls eingespritzten Kraftstoff gebildeten Gemisches im Kompressionsraum 26 erfolgt. Der Hauptkolben 30 ist über die mit einem Kugelgelenk gelagerte Pleuelstange 32 auf einem Pleuellager 36 der Kurbelwelle 34 gelagert.

Symmetrisch zum Lager 36 befinden sich auf beiden Seiten davon Lagerstellen eines Pleuellagers 38 für eine kurze Pleuelstange 40, die mit Zapfen 41 im unteren Abschnitt eines Universalkolbens 44 gelagert ist. Der Universalkolben 44 besteht aus einem Hülsenabschnitt, in dem der Hauptkol ben 30 geführt ist, und einem oberen Radialabschnitt 45, der in einen äußeren Mantel 46 übergeht. Am unteren Ende des Hülsenabschnittes des Universalkolbens 44 ist ein er weiterter Kolbenabschnitt 42 befestigt, der in einem Ver dichterzylinderraum 50 innerhalb des Motorgehäuses 10 ge führt ist.

Vom Verdichterzylinderraum 50 geht ein Verbindungskanal 58 ab nach oben in Richtung auf den benachbarten Zylinder und dort in dessen Ringraum 28.

Anhand der für den rechten Zylinder in Fig. 1 eingetragenen Pfeillinien erkennt man, daß die im unteren Verdichterraum 50 des linken Zylinders verdichtete Spülluft über den Kanal 58 ungefähr dann in die obere Ringkammer 28 des rechten Zylinders eingelassen wird, wenn der Universalkolben 44 des rechten Zylinders sich an oder in der Nähe seines unteren Totpunkts befindet, und der etwa beim unteren Totpunkt ein gezeichnete Hauptkolben 30 den Auslaß freigibt. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die ebenfalls ringförmig angeordne ten Auslaßschlitze 52 im Hülsenabschnitt des Universalkol bens 44 ausgerichtet auf den Auslaßkanal 54 im Motorgehäu se. Die von oben über die Ringkammer 28 in den Brennraum 48 eingeführte gerichtete Spülluft drückt die verbrannten Gase durch die Auslaßschlitze 52, 54 hinaus. Diese Wirkung wird dadurch verstärkt, daß die im Verdichterzylinder 50 kompri mierte Spülluft nicht kontinuierlich während der Kolbenbe wegung in den benachbarten Zylinder überführt wird, sondern dort impulsartig eindringt, wenn der Radialabschnitt 45 des Universalkolbens seine untere Stellung erreicht und die Spüleinlaßöffnung 60 in der Ringkammer 28 freigibt.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist nachfolgend in Verbindung mit der Darstellungsfolge gemäß Fig. 2 beschrieben, wobei auf die unter dem jeweili gen Zylinder dargestellten Kurbelwinkel für den Hauptkolben und dem Universalkolben Bezug genommen wird. Von links nach rechts hat nach der Zündung durch eingespritzter Kraftstoff ungefähr im oberen Totpunkt des Hauptkolbens 30 der nachei lende Universalkolben 44 bei A seinen oberen Totpunkt erreicht. Die Maschine leistet jetzt Arbeit, und bei einem Kurbelwinkel B von 120° des Hauptkolbens öffnet die Oberkante des Universalkolbens die Ringkammer, so daß von dort gespeicherte verdichtete Luft in den Brennraum 48 strömt und die Verbrennungsphase im über das letzte Drittel des Arbeitshubes vorteilhaft verlängert.

Bei einem Kurbelwinkel von etwa 150° entsprechend der Posi tion C gibt der Hauptkolben 30 die Auslaßschlitze im Hül senabschnitt des Universalkolbens 44 frei, der im Bereich der Stellungen D und E Verbindung herstellt mit dem Auslaß kanal 54 im Motorgehäuse 10. Während dieses Zeitraums ist der Verbindungskanal 58 mit seiner oberen Öffnung 60 an die Ringkammer 28 angeschlossen, so daß die verdichtete Spül luft an der Oberseite des Universalkolbens vorbei durch die Ringkammer und durch den Brennraum 48 in Richtung zu den Auslaßschlitzen 52 strömt.

Ein zusätzlicher Spüleffekt findet dadurch statt, daß die unter dem ringförmigen Überhang 46 des Universalkolbens 44 befindliche Luft, die entsprechend Fig. 1 in der Nähe der oberen Totpunktstellung des Universalkolbens über die Luft einlaßschlitze 62 in der Außenwand 14 angesaugt worden ist, bei der Abwärtsbewegung des Universalkolbens über die Um lenkkanäle 64 und die ringförmigen verteilten Öffnungen 66 (Fig. 1) ebenfalls in die Ringkammer 28 eingeleitet wird, um zu Spülen und zur nachträglichen Aufladung beizutragen.

In der Kurbelwinkelstellung E gemäß Fig. 2, in der die Oberseite des Universalkolbens abgebrochen gezeichnet ist, um die in der Außenwand 14 der Ringkammer 28 verteilten vom Verbindungskanal 58 und von den Umlenkkanälen 64, 66 kommen den Spülluftschlitze 60 bzw. 66 sichtbar zu machen, befin det sich der Hauptkolben bereits wieder in angehobener Stellung, so daß die nach diesem Zeitpunkt mit Überdruck einströmende Luft der verbesserten Aufladung dient.

Die in der Ringkammer 28 noch im Anschluß an die Zündung im Brennraum nachträglich verdichtete Spülluft kann während der Expansion des Brennraums durch den Arbeitshub des Hauptkolbens über die oberen kleinen Kanäle 68 in den Kom pressionsraum 26 eindringen, um auch dort eine intensive Nachverbrennung und Spülung einzuleiten. Grundsätzlich ist mit den kleinen Radialkanälen 68 beabsichtigt, Ausweichmög lichkeiten während der Verdichtung und dadurch eine gewisse Elastizität zu schaffen. Die Radialkanäle 68 sind klein ge nug, um das rückwärtige Ausbreiten einer Flammenfront zu verhindern.

Die soweit beschriebene Brennkraftmaschine zeichnet sich auch durch eine erhöhte Umweltfreundlichkeit aus, da die während des Arbeitshubes des Hauptkolbens zugeführte unver brannte Luft eine weitgehend vollständige Verbrennung er möglicht und die Bildung von Monoxiden verhindert. Vorteil haft ist außerdem die in Fig. 2 angedeutete mögliche Ein spritzung von Wasser durch eine zusätzliche Einspritzung von Wasser durch eine zusätzliche Einspritzdüse 22 im Zylinderkopf. Diese Einspritzung beginnt etwa zu dem Zeit punkt, an dem die verdichtete Luft aus der Ringkammer 28 in den Brennraum 48 nachströmen kann und dann eine gewisse Nachverbrennung schon stattgefunden hat, etwa zum Zeitpunkt von 25°-15° Kurbelwinkel vor dem unteren Totpunkt des Hauptkolbens. Das eingespritzte Wasser dient in erster Li nie der Aufgabe, giftige Abgase zu binden. Die den Gasen entzogene Verdampfungswärme für das Wasser führt zu einer gewissen Druckverminderung und schließlich zu einer Kon densation, so daß nur noch kleine Abgaskanäle oder Gehäuse notwendig sind.

Aufgrund der erfindungsgemäß bewirkten intensiven Spülung wird der durch Wassereinspritzung gebildete Wasserdampf nach unten aus dem Brennraum 48 herausgedrückt. Bei einer praktischen Ausführungsform wurden für eine Kraftstoff-Ver brauchsmenge von 100 Liter etwa 4 Liter im eingespritzten, verdampften und schließlich kondensierten Wasser gebundene Abgase produziert, die hauptsächlich aus schwefliger Säure bestehen. Diese Abgase können über säurefeste Leitungen in einen säurefesten Behälter geführt und gespeichert und zu gegebener Zeit, z. B. an einer Tankstelle entleert bzw. ab gelassen werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit zwei oder mehr Zylindern, die je einen Hauptkolben und einen diesen als Zylinderlaufbuch se umgebenden, nacheilenden Universalkolben aufweisen, mit je einer vom Zylinderkopf aus in den Brennraum hin einragenden Ringwand, mit welcher der zum oberen Tot punkt bewegte Universalkolben vom Brennraum einer zur Nachverdichtung vorgesehene Ringkammer abtrennt, und mit einem in den Brennraum übergehenden, von der Ringwand umgebenden Kompressionsraum, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die vom Zylinderkopf (18) ausgehende Länge der Ring wand (24) läßt eine direkte Verbindung zwischen Ring kammer (28) und Brennraum (48) erst zu, wenn der Hauptkolben (30) etwa zwei Drittel seines Arbeitshu bes zurückgelegt hat;
b) der Universalkolben (44) ist am unteren Ende mit einem erweiterten Kolbenabschnitt (42) in einem Ver dichterzylinder (50) geführt;
c) zwischen dem Verdichterzylinder (50) und der Ringkam mer (28) eines benachbarten Zylinders mit unter Kur belwinkelversatz von 180° laufenden Kolben besteht eine Verbindung (68).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Kompressionsraum (26) mit der Ringkammer (28) durch Radialkanäle (68) kleinen Durchmessers ver bunden ist, die einen Gasaustausch ermöglichen, jedoch das Ausbreiten einer Flammfront verhindern.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Universalkolben (44) in seinem als Zylinderlaufbuchse ausgebildeten Bereich über einen Ringabschnitt verteilte Auslaßschlitze (52) aufweist, die im Bereich des unteren Totpunkts des Hauptkolbens (30) mit einem Auspuffkanal (54) des Motorgehäuses (10) in Verbindung stehen, während etwa zur gleichen Zeit der untere Verdichterabschnitt (42) des Universalkolbens (44) seinen insbesondere am oberen Ende des Verdichter zylinders (50) liegenden Totpunkt erreicht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum oberen Ende des einen Verdichterzylinders (50) führende Verbindung (58) an einer Stelle der Ringkammer (28) des benachbar ten Zylinders mündet, die oberhalb des Universalkolbens (44) liegt, wenn er sich am oder in der Nähe des unteren Totpunktes befindet.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang der Ringkammer (28) jedes Zylinders eine Ringreihe von Spül lufteinlaßschlitzen (66) enthält, die durch den Univer salkolben (44) im Bereich seines unteren Totpunkts frei gelegt und unterhalb der Öffnung der Verbindung (58) für die vorverdichtete Luft aus dem benachbarten Verdichter zylinder (50) angeordnet sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Radialab schnitt (45) des Universalkolbens (44) an seiner Rück seite mit dem Zylindergehäuse einen zusätzlichen Ver dichtungsraum bildet, der im Bereich des oberen Totpunk tes des Universalkolbens (44) mit den Lufteinlaßschlit zen (62) der Ringkammer (28) in Verbindung steht und die zunächst angesaugte Luft beim Abwärtshub durch einen äu ßeren Umlenkkanal (64) in die Ringkammer (28) zum Zweck zusätzlicher Spülung fördert.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß vom oberen Radialabschnitt (45) des Universal kolbens (44) ein äußerer ringförmiger Mantel (46) aus geht, der an der Außenwand (14) der Ringkammer (28) ge führt ist und die Spülluftschlitze bzw. -Öffnungen (62, 66) steuert.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftstoff-Direkt einspritzung wenigstens eine in den Kompressionsraum (26) mündende Einspritzdüse (20) vorgesehen ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kompres sionsraum (26) eine Wasser-Einspritzdüse (22) mündet, die kurz vor dem Ende des Arbeitshubes des Hauptkolbens (30) beaufschlagt wird.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden An sprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Her beiführung einer gerichteten Spülluftströmung durch den jeweiligen Zylinder nach der Zündung die zunächst der Nachverbrennung dienende verdichtete Luft aus der Ring kammer (28) und danach hintereinander die Spülluftmen gen aus dem Verdichterzylinder (50) und dem Raum hinter dem Radialabschnitt (45) des Universalkolbens (44) der Brennkammer (48) zugeführt wird.