DE3938849A1 - Verbrennungsmotor mit stellkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Stellkolben im Kopf der Verbrennungskammer, in welcher ein Arbeitskolben arbeitet.

Es ist bekannt, daß Verbrennungsmotoren mit einem Stell­ kolben im Zylinderkopf als Gegenkolben zum Arbeitskolben ausgerüstet sein können. Derartige Stellkolben dienen der Ermittlung einer optimalen Kompression. Sie folgen nicht dem Bewegungsablauf des Arbeitskolbens, sondern werden in einer bestimmten Stellung fixiert, vgl. z. B. DE-PS 5 36 930 und DE-AS 11 93 305. Aus der DE-AS 12 52 965 ist außerdem ein Verbrennungs­ motor bekannt, der einen Gegenkolben zur Kompressionsoptimierung und zum Öffnen und Schließen der Abgaskanäle aufweist. Es ist weiterhin bekannt, daß erst ab einer bestimmten Kurbelwellenstellung, die um einiges hinter dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens liegt, eine optimale Energieumsetzung stattfindet, die ihr theore­ tisches Optimum im Bereich von 90° hat, da in diesem Bereich der Arbeitshebel maximal ist.

Andererseits ist bekannt, daß der maximale Zylinderdruck, insbesondere bei sog. Langsamläufern, nicht im vorbezeich­ neten 90°-Bereich, sondern in der Nähe des oberen Totpunktes nach der Zündung auftritt.

Üblicherweise erfolgt nämlich bei Verbrennungsmotoren die Zündung des komprimierten Arbeitsvolumens im Bereich des oberen Tot­ punktes des Arbeitskolbens, wodurch der maximale Druck auf den Arbeitskolben in einer Kurbelwellenstellung erfolgt, die einen kleinen Arbeitshebel aufweist. Vor allem bei niedrigen Drehzahlen läuft die gesamte Energiefreisetzung durch die Zündung bei dieser ungünstigen Kurbelwellenstellung ab, da eine längere Zeitspanne benötigt wird, bis die Kurbel­ welle in den 90°-Bereich geführt wird. In diesem Winkel­ bereich ist allerdings der Druck auf den Arbeitskolben bereits erheblich abgesunken.

Die bekannten Verbrennungsmotoren arbeiten daher nicht unter optimalen Bedingungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ver­ brennungsmotor bereitzustellen, der auch bei niedrigen Dreh­ zahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor nach den Patentansprüchen gelöst.

Die Erfindung betrifft somit einen Verbrennungsmotor mit Verbrennungskammer, Stellkolben im Kopf der Verbrennungs­ kammer, Ein- und Auslaßventilen, Zündvorrichtungen unter­ halb des Stellkolbens im Kopf der Kammer und einem Arbeits­ kolben, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stellkolben (4) mit einer Verstellvorrichtung (5, 12, 13, 14) verbunden ist, die bei jedem Arbeitstakt den Stellkolben (4) aus der Position maximaler Kompression über dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) ohne Zündung bis zu einer Arbeits­ kolbenstellung und bis zu einem Zündpunkt mitführt, welche stark in Richtung größerer Drehmomente verschoben sind, die den Stellkolben (4) ab dem Zündpunkt bis zur Be­ endigung der Expansionsarbeit festhält und die den Stellkolben (4) anschließend in die Ausgangs­ stellung über dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) zurückführt, und daß ein Wärmetauscher in der Frischluft­ zufuhr für den Verbrennungsmotor vorgesehen ist, durch den die heißen Abgase geleitet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors wird der Stellkolben durch die Verstell­ vorrichtung bis zu 30° mit dem Arbeitskolben mitgeführt, vor­ zugsweise 30 bis 70°, insbesondere 45 bis 60°, erst dann erfolgt Zündung. Vorteilhafterweise wird der Stellkolben in der Mitführphase synchron zum Arbeitskolben verschoben.

Die Verstellvorrichtung ist vorzugsweise als Exzenter ausge­ bildet, der vorzugsweise über ein Pleuel den Verstellkolben betätigt.

Erfindungsgemäß wird durch den Einsatz eines Stellkolbens, der ein Stück in Richtung größerer Drehmomente mit dem Arbeits­ kolben mitläuft, der Zündpunkt in eine für die Energieum­ setzung günstigere Kurbelwellenstellung verlagert.

Bei jedem Arbeitstakt wird, nachdem der Arbeitskolben den oberen Totpunkt erreicht hat, der Stellkolben über eine Ver­ stellvorrichtung derart gesteuert, daß das komprimierte Arbeitsmedium zwischen Verstell- und Arbeitskolben in Richtung bis zu 80° Kurbelwellenstellung verschoben wird.

Das sich durch die Zündung ausbildende Druckmaximum liegt somit bei einer Kurbelwellenstellung, die einen größeren Arbeitshebel aufweist. Dadurch ergibt sich eine günstigere Umwandlung der durch die Explosion freigesetzten Energie in mechanische Bewegungsenergie.

Durch diese in Richtung größerer Drehmomente versetzte Zündung kann auch bei niedrigen Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment erreicht werden, wodurch die Übersetzungsver­ hältnisse des Getriebes verkleinert werden können.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ergibt sich dann, wenn die Abgase, die eine im Vergleich zu üblichen Motoren höhere Temperatur haben, zur Aufheizung der für den Ladungswechsel benötigten Frischluft verwendet werden.

Es ist vorteilhaft, zumindest die Frischluft vor der Beschickung des Arbeits­ zylinders auf den im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens herrschenden Druck oder annähernd auf diesen Druck in einem externen Kompressor vorzukompri­ mieren und die vorkomprimierte Frischluft oder das fertige vorkomprimierte Zündgemisch durch Öffnen eines Einlaßventiles in den Arbeitszylinder ein­ zuleiten, wobei man vorzugsweise gleichzeitig den Stellkolben sehr rasch von der Zündstellung in die Ausgangsstellung (die er im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens einnimmt), befördert. Hierzu verwendet man eine Verstell­ vorrichtung, die z. B. eine Exzenter-Anordnung sein kann. Eine solche Ex­ zenter-Anordnung kann eine über dem Stellkolben angeordnete Nockenwelle sein, die sowohl die Ein- und Auslaßventile als auch über eine Stellkolben­ stange den Stellkolben betätigt. Die Verstellvorrichtung kann aber auch auf der Kurbelwelle des Motors angebracht sein. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Nocken auf der Motor-Kurbelwelle über ein Gestänge den Stell­ kolben in der gewünschten Weise verschieben.

Im folgenden wird nun der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor anhand bevorzugter Ausführungsformen und entsprechender Ab­ bildungen erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 übliche Zündung bei einem Verbrennungsmotor

Fig. 2 Verbrennungsmotor mit Stellkolben im oberen Tot­ punkt des Arbeitskolbens

Fig. 3 Kolbenstellung, bei der die Zündung erfolgt.

Fig. 4 typische Kolbenstellungen in schematischen Abbildun­ gen a bis e.

Fig. 5 Details einer Ventil- und Stellkolbenbetätigung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Zylinder­ raumes eines üblichen Verbrennungsmotors dargestellt. Der Arbeitskolben (3) befindet sich im oberen Totpunkt, wobei üblicherweise im Bereich des oberen Totpunktes die Zündung erfolgt. Das Einlaßventil (1) und das Auslaßventil (2) sind dabei zusammen mit den Zündvorrichtungen im fest­ stehenden Zylinderkopf der Verbrennungskammer angeordnet. Bei dieser Anordnung erfolgt die Expansion über den gesamten Kolbenweg zwischen oberem und unterem Totpunkt, wobei die maximale Kraft auf den Arbeitskolben (3) kurz nach der Zündung im Bereich des oberen Totpunktes auftritt. Dadurch ergibt sich die bereits oben geschilderte ungünstige Energieumsetzung.

In Fig. 2 ist die Kolbenanordnung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors dargestellt. Ein Stellkolben (4), der gegenüber dem Arbeitskolben (3) angeordnet ist, ist mit einer Exzenter-Anordnung (5) verbunden, wodurch der Stell­ kolben (4) im Zylinderraum kontinuierlich verstellt werden kann. Das Einlaßventil (1) und das Auslaßventil (2) sind unterhalb des Stellkolbens (4) angeordnet. Die Ventile und Zündvorrichtungen sind dabei am Stellkolben befestigt und sind daher mit dem Stellkolben verschiebbar. In Fig. 2 ist die Anordnung im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) am Ende der Kompressionsphase gezeigt. Bevor nun ein voll­ ständiger Arbeitszyklus erläutert wird, soll noch anhand von Fig. 3 eine Kolbenstellung gezeigt werden, die einige Grad nach dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) auftritt.

Anschließend an die in Fig. 2 dargestellte Kolbenstellung folgt der Stellkolben (4) über die Exzenter-Anordnung (5) synchron dem Arbeitskolben (3). In einer zum oberen Tot­ punkt des Arbeitskolbens (3) deutlich versetzten Kolben- und Kurbelwellenstellung erfolgt dann die Zündung des bereits im oberen Totpunkt vollständig komprimierten Arbeitsmediums.

Der Arbeitstakt des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors läuft nun folgendermaßen ab. Am Ende der Kompressionsphase im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) wird das kompri­ mierte Arbeitsmedium zwischen Stellkolben (4) und Arbeits­ kolben (3) bei konstantem Druck und Volumen ohne Zündung in Richtung höherer Drehmomente des Arbeitskolbens (3) deut­ lich verschoben, wodurch eine für die Energieumsetzung günstigere Kurbelwellenstellung erreicht wird. In der Kolben­ stellung nach Fig. 3 wird der Stellkolben (4) über die Ex­ zenter-Anordnung (5) festgehalten und die Zündung einge­ leitet, wodurch anschließend der Arbeitskolben (3) die Ex­ pansionsphase bis zum unteren Totpunkt durchläuft. Dabei ergibt sich ein kleineres Expansionsvolumen, wodurch die Ab­ gase mit einer höheren Prozeßtemperatur austreten als bei einer Zündung im oberen Totpunkt.

Die Energie der Abgase wird über Wärmetauscher der Frisch­ luft zugeführt.

Am Ende der Expansionsphase wird der Stellkolben (4) über die Exzenter-Anordnung (5) in seine Ausgangsstellung zurück­ geführt. Bei dieser Kolbenstellung kann dann die Kompression bei vollem Kompressionsvolumen erfolgen. Nach Beendigung der Kompressionsphase wird wieder die Kolbenstellung nach Fig. 2 eingenommen und die Verschiebung von Stell- und Ar­ beitskolben beginnt erneut.

Fig. 4 zeigt anhand der schematischen Abbildungen a bis e typische Kolbenanordnungen und Stellkolben-Steuerungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. In Fig. 4a befindet sich der Arbeitskolben 3 im unteren Totpunkt, dabei sind die Ein- und Auslaßventile 1 und 2 im Stellkolben 4 im Kopf des Arbeitszylinders noch geschlossen. Der Stellkolben 4 ist über eine Stellkolbenstange 11 und einen Nocken 7 mit einer über dem Stellkolben angeordneten Nockenwelle 6 verbunden, welche den Stellkolben 4 und die Ventile 1, 2 betätigt. Unmittelbar nach Durchschreiten des unteren Totpunktes des Arbeitskol­ bens 3 wird das Auslaßventil 2 im Stellkolben 4 geöffnet, wie in Fig. 4b gezeigt. Der Stellkolben 4 verharrt dabei noch in der sogenannten Zündstellung, die in der Abbildung etwa bei 45° liegt. Abbildung 4c zeigt die Situation im Moment des Schließens des Auslaßventils 2 und des Öffnens des Ein­ laßventils 1. Hierbei nimmt der Arbeitskolben 3 die Stellung der größten Annäherung an den Stellkolben 4 ein. Das entspricht in der Abbildung einer Stellung von annähernd 315 für den Arbeitskolben. Das Brennkammervolumen ist nur noch minimal.

Jetzt wird der Stellkolben 4 vom Rückstellnocken 9 an der Nockenwelle 6 sehr schnell in seine Ausgangslage, den oberen Totpunkt zurückbefördert. Diese Position ist in Fig. 4d dar­ gestellt. In der Phase von Fig. 4c nach d erfolgt die Beschickung des Verbrennungsraumes mit Frischluft und Brenn­ stoff. Es ist vorteilhaft, dies durch externe Kompression zumindest der Frischluft wesentlich zu beschleunigen. Vorteil­ haft wird die Frischluft in einem mit den Abgasen betriebenen Wärmeaustauscher aufgeheizt und in einem externen Kompressor komprimiert. Der Kompressor kann die gesamte Kompressionsar­ beit übernehmen, die in einem klassischen Motor vom Arbeits­ kolben verrichtet wird. Sobald der Arbeitskolben 3 den oberen Totpunkt durchschritten hat und der Aufladungsprozeß beendet ist, folgt der Stellkolben 4 synchron dem Arbeitskolben 3 in die Zündstellung, die in Abbildung 4 bei etwa 45° liegt. Dort erfolgt die Zündung. Der Prozeß wiederholt sich dann wie in Fig. 4a bis d dargestellt. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Motor also um einen Zweitakter mit Ventilen, in dem eine externe Aufladung kom­ biniert ist mit einer Druckgasverschleppung zu einem Zündpunkt bei deutlich erhöhtem Drehmoment.

Fig. 4e zeigt eine Variante der geschilderten Ausführungsform, bei der die Betätigung des Stellkolbens 4 nicht durch eine separate Nockenwelle 6 sondern über die Motor-Kurbelwelle 12 erfolgt. Ein zusätzlicher Nocken 13 auf der Motorkurbelwelle 12 betätigt über ein Gestänge 14 und die Stellkolbenstange 11 den Stellkolben 4. Dies hat den Vorteil, daß auf eine zusätzliche Nockenwelle verzichtet werden kann.

Fig. 5 zeigt einige Details einer Ventil- und Stellkolben­ steuerung nach Fig. 4a bis d, d. h. einer Steuerung mit einer zusätzlichen Nockenwelle 6 über dem Stellkolben 4. Mit Hilfe eines speziellen Rückstellnockens 9 kann die schnelle, asyn­ chrone Rückstellung des Stellkolbens 4 aus der Zündstellung in die Ausgangsstellung am oberen Totpunkt erfolgen, um die Beschickung des Verbrennungsraumes mit Frischluft und Brenn­ stoff zu ermöglichen. Das Einlaßventil 1 wird dabei über einen Steuernocken 7, 8 betätigt. Die Steuerung der Ventile und des Stellkolbens können natürlich auch auf andere Weise er­ folgen.

Bei einem Motor der erfindungsgemäßen Art kann die Zuführung der Frischluft, des Brennstoffgemisches und die Ableitung der Abgase mit Hilfe an sich bekannter Mittel erfolgen. Bei­ spielsweise können die Frischgase über eine hohle Spiralfeder zugeführt werden und die Abgase können z. B. über ein Teleskop­ rohr abgeleitet werden. Letztere kann man auch in den Raum oberhalb des Stellkolbens eintreten lassen und von dort über einen Wärmeaustauscher für die Frischluft austreten lassen. Es gibt zahlreiche technische Möglichkeiten, die Frischgas­ zufuhr und die Ableitung der Abgase bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit an sich bekannten Mitteln zu bewerkstelligen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann man auch bei niedrigen Drehzahlen das in diesem Bereich erzielbare maxi­ male Drehmoment stark erhöhen, da eine günstigere Umsetzung der durch die Explosion des Kraftstoffgemisches freigesetzten Energie in mechanischer Energie erzielt wird.

Durch die Rückgewinnung der Abgasenergie über Wärmetauscher in die Frischluft kann auch insgesamt ein wirtschaftlicherer Betrieb des Verbrennungsmotors erzielt werden.

Claims (6)

1. Verbrennungsmotor mit Verbrennungskammer und Stellkolben im Kopf der Verbrennungskammer, Ein- und Auslaßventilen, Zündvorrichtungen unterhalb des Stell­ kolbens im Kopf der Kammer und mit einem Arbeitskolben dadurch gekennzeichnet, daß
der Stellkolben (4) mit einer Verstellvorrichtung (5, 12, 13, 14) verbunden ist,
die bei jedem Arbeitstakt den Stellkolben (4) aus der Position maximaler Kompression über dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) ohne Zündung bis zu einer Arbeits­ kolbenstellung und bis zu einem Zündpunkt mitführt, welche stark in Richtung größerer Drehmomente verschoben sind, die den Stellkolben (4) ab dem Zündpunkt bis zur Be­ endigung der Expansionsarbeit festhält
und die den Stellkolben (4) anschließend in die Ausgangs­ stellung über dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) zurückführt, und daß ein Wärmetauscher in der Frischluft­ zufuhr für den Verbrennungsmotor vorgesehen ist, durch den die heißen Abgase geleitet werden.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (5) den Stellkolben (4) vom oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) an bis zu 80° mit dem Arbeitskolben (3) mitführt.

3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (4) in der Mitführphase synchron zum Arbeitskolben (3) verschoben wird.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (5, 12, 13, 14) eine Exzenteran­ ordnung ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (5) eine separate Nockenwelle (6) mit Nocken (7), Nocken (8) für die Steuerung der Ventile (1, 2) und Rückstellnocken (9) für den Stellkolben (4) umfaßt.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung Nocken (13) auf der Motor­ kurbelwelle (12) und ein Gestänge (14), welches die Nocken der Kurbelwelle mit der Stellkolbenstange (11) verbindet, aufweist.