DE7522496U - Brennkraftmaschine mit innerer kuehlung des verbrennungsraumes - Google Patents

Description

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-ι.-ing. G. Wosnhaussn

D-8 München 22 München, den 13. Juli

Wldenmayerstraße 46 T 388 α

Tel. (O 89) 29 51 25

TOWNSEND ENGINEERING COMPANY in Des Moines, Iowa/V.St.A.

Brennkraftmaschine mit innerer Kühlung des Verbrennungsraumes

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Kühlung des Verbrennungsraumes durch überschüssige Spülluft.

In den bekannten Brennkraftmaschinen wird die Explosionswärme teilweise durch die Wände der umgebenden Metallteile geleitet und dann mittels Rippen an der Außenfläche der Zylinder in die Luft abgestrahlt oder von einer Kühlflüssigkeit abgeführt. Diese bekannten Brennkraftmaschinen sind weitgehend durchkonstruiert; es wurde jedoch festgeste2.lt, daß der Wirkungsgrad noch verbessert werden kann, wenn die Verbrennungswärme von vornherein daran gehindet wird, von dem Zylinder, dem Kolben und den übrigen Teilen des Verbrennungsraumes absorbiert zu werden.

Es ist vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck den Verbrennungsraum von innen zu kühlen, indem nach jedem Arbeitstakt

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überschüssige Spülluft in den Zylinder eingeführt wird. Diese verhältnismäßig kühle Frischluft dient also nicht nur, wie bekannt, zum Ausblasen der Verbrennungsgase, sondern soll auch die bei der Verbrennung entstandene Wärme abführen, bevor sie von den Metallteilen um den Verbrennungsraum aufgenommen und nach außen abgeleitet wird.

Der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer solchen Brennkraftmaschine den Wärmeübergang zu den Wänden des Verbrennungsraumes noch weiter zu verringern und dadurch einen größeren Anteil der Verbrennungswärme durch die überschüssige Spülluft abzuführen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Verbrennungsraum mindestens teilweise mit einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff ausgekleidet ist.Als solcher kann z. B. ein keramisches Material oder Edelstahl dienen.

Es ist auch möglich, den Zylinder.und die Kolben vollständig aus einem Werkstoff mit niedrigem Wärmeleitungskoeffizient herzustellen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich eine Brennkraftmaschine, die wirtschaftlich herzustellen und robust im Betrieb ist, sowie einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeiqhnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Schnitt in Richtung der Linie 2-2 in Fig. 1 mit weggebrochenen Teilen in größerem Maßstab,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Zylinders, Fig. 4 eine Teildarstellung der Fig. 2 in größerem Maßstab,

Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 4, jedoch für eine andere Ausftihrungsform,

Fig. 6 ein Teilschnitt, gesehen längs der Linie 6-6 in Fig. 1 mit weggebrochenen Teilen,

Fig. 7 ein Längsschnitt des feststehenden Kernteils der Maschine

und
Fig. 8 eine Schnittdarstellung in Richtung der Linie 8-8 in Fig. 6.

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Die dargestellte Maschine ist aligemein mit 10 bezeichnet und besitzt zwei Schalenhälften 12 und 14, die mit Schrauben 16 zusammengehalten sind. Zwischen den Schalenhälften 12 und 14 ist eine kreisförmige Kurvenscheibe 18 eingeklemmt. Die Kurvenscheibe 18 greift hierbei in Ringnuten 2o und 22 c'er Schalenhälften 12 und 14 (Fig. 6) . An der Schalenhälfte 12 ist ferner ein Fußteil 24 befestigt.

Durch die Schalenhälfte 12 ragt eine Antriebswelle 26 nach innen und ist f?ort in einem Haupt lager 28 gelagert. Von der Schalenhälfte 14 her steht der Antriebswelle ein feststehender Kern 30 gegenüber, dessen Stirnfläche 32 nahe am inneren Ende der Antriebswelle 26 angeordnet ist. Der Kern 30 besteht aus den Teilen 34 und 36, die mit Schrauben 38 zusammengehalten werden. An gegenüberliegenden Seiten des Kernteils 34 sind Aussparungen 40 und 42 vorgesehen, wie Fig 7 zeigt. Der Kern 30 ist mit einer ölzuführung 44 zur Versorgung der an seinem Umfang angebrachten Ringnuten 46 und 48 mit Schmier- und Abdichtungsöl versehen.

Der Kernteil 36 weist ferner eine mit Innengewinde versehene Öffnung 50 auf, an die ein Schlauch 52 zur Zuführung von Druckluft angeschlossen ist. Die Öffnung 5 0 steht in Verbindung mit einer Luftkammer 54, von der in Längsrichtung des Kerns verlaufende Kanäle 56 und 58 ausgehen. Die Kanäle 56 und 58 setze.i sich in entsprechenden Kanälen 60 und 62

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des K^rnteils 34 fort. Diese Kanäle 60 und 62 enden in den Aussparungen 42 und 40 in Luftaustrittsöffnungen 64 und 66. Im Kern 30 befindet sich schließlich ein Nadelventil 68, durch das in gewissen Zeitabständen den Einspritzdüsen 70 und 72 Treibstoff zugeführt wird.

Der Kern 34trägt einen Rotor 74, wie in der US-PS 3 828 beschrieben. Der Umfangsteil 76 des Rotors 74 ist mit vier kreisförmigen Aussparungen 78 versehen. Der Nabenteil 80 des Rotors 74 ist an der Welle 26 befestigt. In jeder Aussparung 28 befindet sich ein Zylinder 82, dessen Flanschteil 84 an dem Rotor anliegt und mit Schrauben, die durch entsprechende Löcher 86 des Flanschteils 84 gehen, am Rotor befestigt ist.

Jeder Zylinder 82 besteht aus einem inneren Endteil 88 und einem Mantelteil 90. Der Mantelteil 90 ist mit gegenüberliegenden Schlitzen 9 2 und 94 versehen und besitzt außerdem rings auf seinem Umfang zahlreiche Auspufföffnungen 96. In jedem Zylinder 82 ist ein Kolben 9 8 verschiebbar angeordnet. Jeder Kolben 98 besitzt einen Kopfteil 100 und einen Seitenteil 102. Auf einem Querzapfen 106, der im Seitenteil 102 befestigt ist, ist eine Rolle 104 gelagert. Diese rollt auf der Kurvenfläche 108 der Kurvenscheibe 18 ab und verschiebt so den Kolben relativ zum Zylinder, wenn der Rotor umläuft. Jeder Kolben ist mit einer Mehrzahl durchgehender Löcher auf dem Umfang seines Seitenteils versehen.

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Jeder Zylinder wird von einer Auspuffkammer 112 (Fig. 6) umgeben, die einerseits mit den Auspufföffnungen 96, andererseits mit zwei Auspuffrohren 114 und 116 in Verbindung steht.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der Kopfteil ICO des Kolbens 98 mit einem Werkstoff 118 niedriger Wärmeleitfähigkeit überzogen. Als solcher Werkstoff kommt z. B. Porzellan oder ein anderer hochtemperaturfester Keramikwerkstoff in Betracht. Ebenso ist der den Verbrennungsraum 120 des Rotors 74 bildende Teil der Innenfläche des Zylinders 82 mit dem schlechtwärmeleitenden Werkstoff 118 ausgekleidet.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4 dadurch, daß der Zylinder 82' und der Kolben 98' vollständig aus einem Werkstoff mit geringem Wärmeleitungskoeffizienten bestehen. Beispielsweise hat Porzellan eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,6.

Ferner wurde festgestellt, daß Edelstahl sehr gut als Werkstoff für Kolben und Zylinder bzw. als'Auskleidung 118 geeignet ist. Unter Edelstahl versteht man Eisenlegierungen, die Nickel und Chrom enthalten, wobei der Chromanteil 12 bis 30% beträgt. Edelstahl hat eine weit geringere Wärmeleitfähigkeit als Gußeisen. Beispielsweise hat bei Zimmertemperatur Gußeisen eine spezifische Wärmeleitung von 0,112, während Edelstahl (AISI Typ 304) eine Wärmeleitung von 0,036

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hat. Der Typ 304 enthält 18 bis 20% Chrom und 8 bis 12% Nickel. Die AISI-Typen 300 des Edelstahls haben sich für den vorliegenden Zweck als besonders geeignet erwiesen. In diesem Zusammenhang wird auf das Metals Handhook, Band 1, Seiten 408, 409, 422 und 423 ff, herausgegeben von der American Society of Metals, verwiesen.

Die Kurvenfläche 108 der Kurvenscheibe 18 weist einander gegenüberstehende Vorsprünge 122 und 124 auf. Wie aixs Fig. 2 ersichtlich, sind die Vorsprünge 122 und 124 mit Rastflächen 126 und 128 versehen, deren Krümmungsmittelpunkt im geometrischen Zentrum der* Kurvenscheibe 18 liegt, so daß an diesen Stellen der Kolbe^ stationär bleibt.

Im Betrieb wird ständig Treibstoff unter Druck den Düsen 70 und 72 zugeführt. Der Treibstoff kann jedoch nur dann aus Jen Düsen 70 und 72 austreten, wenn die Düsen über öffnungen 130 des Rotors 74 mit den offenen inneren Enden der Zylinder 82 in Verbindung kommen. In diesem Augenblick wird Treibstoff in den Verbrennungsraum des betreffenden Zylinders eingespritzt, Die Luftkammer 54 steht unter ständigem überdruck, so daß Luft aus den Austrittsöffnungen 64 und 66 austritt, solange die Aussparungen 42 und 40 über die öffnungen 130 mit dem Inneren der betreffenden Zylinder in Verbindung stehen, während der Rotor um den feststehenden Kern 30 umläuft. Ferner wird den Schmiernuten 46 und 48 Drucköl zugeführt, so daß sich ein Ölfilm zwischen der Innenfläche des Rotors und der Außenfläche

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des ^ernteils 34 bildet. Dieser Ölfilm dient auch zur Abdichtung der Einspritzöffnungen 130 hinsichtlich der Umgebung außerhalb des Rotors.

. 2 zeigt den oberen und unteren Kolben in der Zündstellung. Die Rollen dieser Kolben befinden sich auf den Rastflächen der Vorsprünge 126 und 128. Nach dem Einspritzen des Treibstoffs und der Luft in den Zylinder wurde der Kolben durch die Drehung des Rotors entlang dem Vorsprung 122 nach innen geführt, wodurch das Treibstoffgemisch verdichtet wurde. An der Stelle stärkster Verdichtung wird die Zündung eingeleitet. Bevor der Druck im Zylinder die vorgeschriebene Grenze überschreiten kann, wird dem Kolben eine leichte Expansion in die Raststeilung 126 gestattet und er bleibt in dieser relativen Expansionsstellung, bis der Verbrennungsvorgang beendet ist. Nachdem die gesamte chemische Energie des Treibstoffs in Wärme verwandelt wurde, wird dem Kolben gestattet, zu expandieren und diese Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln, aber erst wenn die gesamte Verbrennung beendet ist und die ganze Energie nach Beginn des Arbeitshubes nach der Raststeilung verfügbar ist.

Durch den schlechtwärmeleitenden überzug 118 bzw. den betreffenden Werkstoff der an den Verbrennungsraum angrenzenden Teile des Zylinders, des Rotors und des Kolbens wird die von diesen Teilen aufgenommene Wärmemenge erheblich

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herabgesetzt. Die Temperatur des Überzugs 18 steigt während

des Verbrennungsvorganges sofort an, aber verhältnismäßig

eenig Wärme wird in das Material des Zylinders, der Brennkammer und des Kolbens abgeführt. Wenn die Verbrennungswr.rme auf der Oberfläche des Überzugs 118 bleiben dürfte, würde diese verhältnismäßig geringe Wärmemenge sich bei de" nachfolgenden Arbeitshüben vermehren, so daß die Temperatur allmählich einen unzulässig hohen Wert annehmen würde. Nun wird

aber verhältnismäßig kühle Frischluft unter Druck ständig den Aussparungen 40 und 42 zugeführt und kann in die Zylinder eintreten, wenn die Aussparungen 40 und 42 über die öffnungen 13o damit in Verbindung stehen, während der Rotor sich dreht. Die in den Zylinder eintretende Druckluft spült nicht nur die Auspuffgase aus dem Zylinder heraus, wenn der Kolben sich über die Auspufföffnungen 9 6 zurückgezogan hat, sondern die Frischluft unterstützt auch die Kühlung des Verbrennungsraums, sowie die VJiederaufladung des Zylinders '^ für den nächsten Zyklus. Die aus der Umgebung oder aus einem

anderen Ort verhältnismäßig niedriger Temperatur zugefüürte

Üasen Frischluft wird im Überschuß in den Zylinder eing, ist

also in größerer Menge vorhanden, als es zum Spülen der Auspuffgase notwendig wäre. Dadurch tritt sie in innige Berührung mit der Auskleidung 118 und führt die Wärme, die unmittelbar vorher bei der Verbrennung dort entstanden ist, von der Oberfläche der Auskleidung ab. Somit hängt die Kühlung der beschriebenen Maschine nicht von der Ableitung der Wärme

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durch die Zylinder ab, sondern die Zylinder können sich rasch von innen her abkühlen. Dies gilt auch für die Ausführungsform nach Fig. 5.

Zwar steigt also die Temperatur der Auskleidung während des Verbrennungsvorgangs kurzzeitig an, aber die Auskleidung isoliert den Zylinder, die Einspritzkammer und den Kolben von der Verbrennungswärme. Sobald die Spülluft in die Zylinder eintritt, führt sie die Wärme von der keramischen Auskleidung ab, so daß deren Temperatur rasch wieder abfällt. Da beim Arbeitshub weniger Wärme von der Auskleidung absorbiert wird, ist auch eine geringere Luftmenge erforderlich, um die Zylinder wieder zu kühlen.

Nach dem Verbrennen, Spülen und Kühlen wird die in den Zylinder eingeführte Luft verdichtet, wenn die Rolle des betreffenden Kolbens sich dem Vorsprung 124 nähert. Der Kolben wird dadurch nach innen geführt und schließt die Auspufföffnungen 96, so daß die im Zylinder befindliche Luft verdichtet werden kann. Im geeigneten Zeitpunkt wird wieder Brennstoff in den Zylinder gespritzt, wenn die Einspritzdüsen 70 und 72 mit den betreffenden öffnungen fluchten, wie es oben beschrieben wurde.

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Während vorstehend eine nach dem Prinzip des Dieselmotors arbeitende Maschine beschrieben wurde, ist die Erfindung ebensogut für Maschinen nach dem Prinzip des Ottomotors geeignet, bei denen der Treibstoff zusammen mit der Verbrennungsluft in den Zylinder eingeführt wird.

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Claims (5)

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1./ Brennkraftmaschine mit innerer Kühlung des Verbrennungsraums durch überschüssige Spülluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum mindestens teilweise mit einem

schlechtwänceleiSenden Werkstoff (118) ausgekleidet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schlechtwärmeleitende Werkstoff aus Porzellan oder einem anderen temperaturfesten keramischen Stoff besteht.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schlechtwärmeleitende Werkstoff aus Edelstahl besteht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung mindestens den Verbrennungsraum der Zylinder und den Kopf der Kolben bedeckt,

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5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (82) , Zylinderköpfe (120) und Kolben (98) z\imindest im Bereich des Verbrennungsräume s aus schlechtwärmeleitendem Werkstoff bestehen.

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