DE3822771A1 - Brennkraftmaschine mit gassteuerung durch quer zur zylinderachse geteilte kolbenhaelften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder angeordneten Kolben, der durch die Verbrennung eines über die Ventile in den Zylinder geleiteten Gas-Luft-Gemisches in Bewegung versetzt wird und über einen Kolbenbolzen mit einer Pleuelstange verbunden ist und eine Kurbelwelle antreibt.

Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen im Viertaktverfahren so betrieben werden, daß eine Kurbelwellenumdrehung zum Ladungs­ wechsel benötigt wird und dadurch nicht als Verdichtungs-/Ar­ beitshub zur Verfügung steht. Beim Zweitaktverfahren entfällt zwar der Ladungswechselhub, jedoch besteht der Nachteil, daß beim Überströmen des Frischgases nur eine ungenügende Zylinderfüllung erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, jede Kurbelwellenum­ drehung möglichst vollständig als Verdichtungs- und Arbeitshub zu nutzen bei vollständiger Füllung des Zylinders mit Frischgas.

Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß auf der den Ventilen zugewandten Seite ein zweiter Kolben angeordnet ist, der mit einem aus stangenartigen Elementen bestehenden Käfig fest verbunden ist, wobei diese stangenartigen Elemente den ersten Kolben durchdringen und durch Längsführungen gehalten sind und in einem Bauteil auf der zylinderabgewandten Seite der Kurbelwelle befestigt sind und dieses Bauteil ein Schub-/Drehgelenk beher­ bergt, dessen Bolzen mit einer Einarmschwinge an einem Ende fest verbunden ist, deren anderes Ende im Kurbelgehäuse drehbar gela­ gert ist und daß die Einarmschwinge mit erhöhten Führungsflächen versehen ist, an welchen Nocken von Gassteuerwellen - welche im Motorengehäuse drehbar gelagert sind, und drehzahlgleich mit der Kurbelwelle verbunden sind - die Schwinge differenzial berühren.

Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird kurz vor Ende eines Verbrennungstaktes der zweite Kolben auf der den Ventilen zuge­ wandten Seite in Richtung der Ventile beschleunigt (während der erste Kolben die übliche Bewegung fortsetzt) und dadurch die verbrannten Gase ausgestoßen und nach Erreichen des oberen Tot­ punktes und Bewegungsumkehr frisches Gas-Luft-Gemisch angesaugt. Kurz vor Beendigung des Ansaughubes setzt der zweite Kolben auf dem ersten Kolben ruckfrei auf.

Wie bei herkömmlichen Zwei- und Viertaktmotoren erfolgt die Zün­ dung des Gas-Luft-Gemisches kurz vor dem oberen Totpunkt. Die Verbrennung beginnt mit der Zündung und erreicht nach dem oberen Totpunkt das Druckmaximum, wodurch der zweite Kolben, sowie der erste Kolben - aufeinanderliegend - im Zylinder in Richtung des unteren Totpunkts beschleunigt werden. Ein- und Auslaßventile sind in dieser Phase selbstverständlich geschlossen. Haben die beiden Kolben gemeinsam ca. 85% des Hubs - bzw. die Kurbelwelle ca. 135 Grad Kurbelwinkel, gerechnet vom oberen Tot­ punkt - zurückgelegt, beginnt der zweite Kolben vom ersten Kolben abzuheben. Die Auslaßventile öffnen wenige Grad Kurbelwinkel vor diesem Trennungspunkt der beiden Kolben.

Der erste Kolben führt über den unteren Totpunkt hinaus - durch die in den Drehmassen gespeicherte Energie veranlaßt - die nahezu sinusförmige Bewegung des Schubgelenks einer zentrischen Gerad­ schubkurbel (bestehend aus Kolben, Pleuelstange und Kurbelwelle) weiter.

Der zweite Kolben, dem die Aufgabe zufällt, die verbrannten Gase schnell aus dem Zylinder zu drücken, bewegt sich ab dem Tren­ nungspunkt der beiden Kolben (ca. 45 Grad Kurbelwinkel vor dem unteren Totpunkt) in einer cosinusförmigen Bahn weiter - und zwar so, daß der obere Totpunkt erreicht wird, wenn der erste Kolben den unteren Totpunkt erreicht.

Die Einlaßventile haben bereits einige Grad Kurbelwinkel vor Erreichen der voranbeschriebenen Konstellation geöffnet - die Auslaßventile schließen einige Grad Kurbelwinkel danach (Ventil­ überschneidung).

Nach Überschreiten des voranbeschriebenen Punktes saugt der zweite Kolben durch seine rasche Abwärtsbewegung Gas-Luft-Gemisch in den Zylinder. Bei ca. 225 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt setzen die beiden Kolben (durch die Kurvenform der Gas­ steuernocken bedingt) ruckfrei aufeinander auf. Bei dieser Kurbelstellung schließen die Einlaßventile.

Damit der zweite Kolben die cosinusförmige Hubbewegung ausführen kann - während sich der Kurbelzapfen von 45 Grad vor dem unteren Totpunkt bis 45 Grad nach dem unteren Totpunkt bewegt - ist dieser mit einem starren Käfig, bestehend aus stangenartigen Elementen verbunden, welcher den ersten Kolben durchdringt und unterhalb der Kurbelwelle in einem Schub-/Drehgelenk endet. Die stangenartigen Elemente des Käfigs werden durch druckölgeschmier­ te Längsführungen, die sich zwischen Kurbelwelle und Zylinder befinden, fixiert und abgestützt. Zusätzlich können weitere Längsführungen zwischen Kurbelwelle und Schub-/Drehgelenk des Käfigs vorgesehen werden, um einem Ausknicken von Käfigbauteilen im Betrieb vorzubeugen.

Der Käfig wird durch die einerseits mit dem Gehäuse fest ver­ bundene Einarmschwinge bewegt, deren Schwingbewegung durch eine Gassteuerwelle (Nockenwelle) oberhalb und eine unterhalb ver­ anlaßt und eindeutig begrenzt wird.

Die Kolbentrennpunkte, im Vorhergehenden beschrieben und durch Grad Kurbelwinkel festgelegt, sind nicht zwingend - je weiter diese zum unteren Totpunkt rücken, um so vollkommener arbeitet das Verfahren und um so relativ schneller müssen sich der zweite Kolben, die stangenartigen Elemente und die Einarmschwinge be­ wegen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der Arbeitsweise - ein Verbrennungshub pro Kurbelwellenum­ drehung bei nahezu vollständiger Zylinderfüllung (ideales Zwei­ taktverfahren). Damit geringes Leistungsgewicht und relativ geringe Reibungsverluste wegen Wegfall einer Kurbelwellenum­ drehung für den Gaswechsel.

Weiterhin ist es zum Erreichen hoher Geschwindigkeit des zweiten Kolbens von Vorteil, diesen wesentlich kleiner und leichter aus­ zuführen als den ersten Kolben.

Die Ausführung der stangenartigen Elemente in Hohlteilen vermin­ dert die bewegten Massen bei fast gleicher Knicksteifigkeit gegenüber Vollmaterial, sodaß höhere Geschwindigkeiten zugelassen werden können.

Die Anordnung weiterer Längsführungen unterhalb des Kurbelwellen­ drehfeldes stabilisiert den Käfig zusätzlich gegen Ausknicken bedingt durch Massenträgheitskräfte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1-3 der Zeich­ nungen dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Zylinder und durch das Kurbelgehäuse. Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. In Fig. 3 ist der Kolben­ weg beider Kolben über den Kurbelwinkel für eine volle Kurbel­ wellenumdrehung dargestellt.

Bei einer Brennkraftmaschine mit zwei in einem Zylinder 9 mit Laufbuchse 10 angeordneten Kolben 1-1.1, die durch die Ver­ brennung eines über die Einlaßventile 6 in den Zylinder geleite­ ten Gas-Luft-Gemisches in Bewegung versetzt werden und der erste Kolben 1 über einen Kolbenbolzen 11 mit einer Pleuelstange 12 verbunden ist, die Pleuelschrauben 13 aufweist und eine Kurbel­ welle 14 antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Aus-/Einlaßventilen 7 und 6 bzw. den Zylinderkopf 8 zugewandten Seite ein zweiter Kolben 1.1 angeordnet ist, der mit einem aus stangenartigen Elementen 2 bestehenden Käfig fest verbunden ist wobei diese stangenartigen Elemente den ersten Kolben durch­ dringen und durch Längsführungen 5 gehalten sind und in einem Bauteil 22 auf der zylinderabgewandten Seite der Kurbelwelle befestigt sind, daß dieses Bauteil ein Schub-/Drehgelenk 18 beherbergt, dessen Bolzen mit einer Einarmschwinge 3 an einem Ende fest verbunden ist, deren anderes Ende 20 im Kurbelgehäuse 21 drehbar gelagert ist und, daß die Einarmschwinge mit erhöhten Führungsflächen 19 versehen ist, an welchen Nocken von Gassteuer­ wellen 4 - welche im Motorengehäuse drehbar gelagert sind, und drehzahlgleich über Kurbelwellenzahnrad 15, Zwischenrad 16 und Gassteuerwellenzahnräder 17 verbunden sind, die Schwinge differenzial berühren.

An der mit Pfeil gekennzeichneten Stelle in Fig. 1 können weitere Längsführungen nach Anspruch 4 angebracht werden.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder angeordneten Zylinder geleiteten Gas-Luft-Gemisches in Bewegung versetzt wird und über einen Kolbenbolzen mit einer Pleuelstange verbunden ist und eine Kurbelwelle antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Ventilen 6, 7 zugewandten Seite ein zweiter Kolben 1.1 angeordnet ist, der mit einem aus stangenartigen Elementen 2 bestehenden Käfig fest verbunden ist, wobei diese stangenartigen Elemente den ersten Kolben 1 durchdringen und durch Längs­ führungen 5 gehalten sind und in einem Bauteil 22 auf der zylin­ derabgewandten Seite der Kurbelwelle befestigt sind, daß dieses Bauteil ein Schub-/Drehgelenk 18 beherbergt, dessen Bolzen mit einer Einarmschwinge 3 an einem Ende fest verbunden ist, deren anderes Ende im Kurbelgehäuse 21 drehbar gelagert ist und daß die Einarmschwinge mit Führungsflächen 19 versehen ist, an welchen Nocken von Gassteuerwellen 4 - welche im Motorengehäuse drehbar gelagert sind und drehzahlgleich mit der Kurbelwelle 14 verbunden sind - die Schwinge differenzial berühren.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Kolben auf der den Ventilen zugewandten Seite wesentlich kleiner und leichter ausgeführt ist als der erste Kolben.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die stangenartigen Elemente des Käfigs als Hohl­ material ausgeführt sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1-3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsführungen fest mit dem Motorengehäuse verbunden sind und oberhalb des Drehfeldes der Kurbelwelle ange­ ordnet sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Längsführungen fest mit dem Motorengehäuse verbunden sind und oberhalb und unterhalb des Drehfeldes der Kurbelwelle ange­ ordnet sind.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungsflächen der Einarmschwinge als Kreiszylin­ dersegment ausgebildet sind und je auf der dem Zylinder abge­ wandten und der dem Zylinder zugewandten Seite auf der Einarm­ schwinge angebracht sind.