EP0193183A1 - Four-shoke internal-combustion engine - Google Patents
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Abstract
In einer Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern und Kolben, die um 180° phasenverschoben arbeiten und über mit einer Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Kolbenstangen miteinander gekoppelt sind und während ihrer Hubbewegungen vom unteren zum oberen Totpunkt Frischluft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch über ein Ansaugsystem mit Einströmsteuerung bzw. Rückstromsperre zu Zylinderräumen unterhalb der Kolben durch Unterdruck fördern, während durch die abwärtsgehenden Kolben die vorher angesaugt Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch über Überstömkanäle in den Verbrennungsraum der Zylinder geschoben wird, sind für jeden Zylinder eigene, der Versorgung mit Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch dienende Ansaug- und Überströmsysteme mit Überström-Rückschlagventilen vorgesehen und die Zylinder in bezug auf den Gaswechsel voneinander getrannt; vgl.In a four-stroke internal combustion piston engine with at least two cylinders and pistons arranged opposite one another, which work out of phase by 180 ° and are coupled to one another via piston rods that are operatively connected to a crankshaft, and fresh air or a fuel-air mixture via one during their stroke movements from bottom to top dead center Feed the intake system with inflow control or non-return valve to the cylinder chambers below the pistons by means of negative pressure, while the downward-moving pistons push the fresh air or the fuel-air mixture that was previously drawn into the combustion chamber of the cylinders via overflow channels. Each cylinder has its own supply of charge air or Intake and overflow systems serving fuel-air mixture are provided with overflow check valves and the cylinders are separated from one another with respect to the gas exchange; see.
Description
Zylinder, der momentan den Ladetakt vollzieht, währenddessen im anderen Zylinder der Arbeitstakt abläuft. Während der nächsten Kurbelwellenumdrehung wird dann mit Hilfe der beiden nach abwärts gehenden Kolben zuerst Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch in den Kurbelgehäuseraum über das vorerwähnte Einströmrückschlagventil angesaugt, um dann bei der Einwärtsbewegung der beiden Kolben in den anderen Zylinder übergeführt zu werden.Cylinder that is currently executing the charging cycle, while the work cycle is running in the other cylinder. During the next crankshaft revolution, charge air or fuel-air mixture is then sucked into the crankcase space via the aforementioned inflow check valve with the aid of the two downward-moving pistons, and then transferred to the other cylinder when the two pistons move inward.
Das bekannte Verfahren weist insofern Nachteile auf, als die Aufladequalität für die einzelnen Zylinder, insbesondere bei schnelllaufenden Motoren ungenügend ist. Dieser Umstand resultiert daraus, daß beim Ladetakt, d.h. beim Einwärtshub der beiden Kolben die für den jeweiligen Zylinder bestimmte Frischluft bzw. das Ladeluftgemisch in ihrer bzw. seiner Gesamtmenge durch die beiden Kolben erst beschleunigt bzw. bewegt werden muß, da vorher keine spürbare Verdichtung zustande kommen konnte, weil das Einlaßventil für den aufzuladenden Zylinder beim Einwärtshub der beiden Kolben bereits geöffnet hatte. Durch die Trägheit der zu beschleunigenden Ladeluftsäule treten dann Ladungsverluste bzw. Füllungseinbußen auf, welche die spezifische Leistung der Zylinder bzw, die sog. Literleistung vermindert. Ferner wird dort die Frischluft bzw. das Ladeluftgemisch über das Innere des Kurbelgehäuses geführt, was ebenfalls nachteilig ist.The known method has disadvantages in that the charging quality for the individual cylinders is insufficient, particularly in the case of high-speed engines. This fact results from the fact that during the charging cycle, i.e. during the inward stroke of the two pistons, the fresh air or the charge air mixture intended for the respective cylinder must first be accelerated or moved in its or its total quantity by the two pistons, since no noticeable compression could have occurred beforehand because the inlet valve for the cylinder to be charged had already opened during the inward stroke of the two pistons. The inertia of the charge air column to be accelerated then results in loss of charge or loss of charge, which reduces the specific output of the cylinders or the so-called liter output. Furthermore, the fresh air or the charge air mixture is conducted there via the interior of the crankcase, which is also disadvantageous.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Nachteile der bekannten Ladeverfahren zu beseitigen und eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit einem Ladesystem zu schaffen, daß die Ladekapazität, insbesondere auch bei schnellaufenden Motoren wesentlich verbessert und bei dem die Gemischansaugung über das Kurbelgehäuse vermieden ist.The object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the known charging method and to provide a four-stroke internal combustion engine with a charging system that improves the charging capacity, especially in high-speed engines, and in which mixture intake via the crankcase is avoided.
Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further features of the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a four-stroke internal combustion engine according to the preamble of
Brennkraftkolbenmaschinen mit paarweise einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern, deren Kolben mit ihrer Unterseite beim Aufwärtshub Frischluft oder Kraftstoff-Luftgemisch in den Innenraum des Kurbelgehäuses ansaugen und beim Abwärtshub diese Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch im Kurbelgehäuse vorverdichten und gleichzeitig durch einen Überströmkanal in einen Zylinder fördern, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt.Internal combustion piston engines with oppositely arranged cylinders, the pistons of which draw fresh air or fuel-air mixture into the interior of the crankcase with their underside during the upstroke and pre-compress this fresh air or the fuel-air mixture in the crankcase during the downstroke and at the same time convey it into a cylinder through an overflow channel known in different versions.
So zeigt z.B. die DE-OS 33 15 853 ein Verfahren zum Betreiben eines Viertaktmotors mit paarweise gegenüberliegenden Zylindern, die um 180° phasenverschoben arbeiten. Die Kolben bewegen sich gegenläufig und ihre hin- und hergehende Bewegung wird mittels eines Kurbeltriebes in Rotationsbewegung umgewandelt. Bei der gleichzeitigen Bewegung der beiden Kolben nach außen, d.h. zum Zylinderkopf hin, wird Frischluft oder Kraftstoff-Luftgemisch über ein Einström-Rückschlagventil in den Kurbelraum hinein angesaugt. Anschließend wird beim gleichzeitigen Einwärtshub, also beim Bewegen der beiden Kolben zum Kurbeltrieb hin, die vorher angesaugte Frischluft oder das Frischgas aus dem Kurbelraum durch einen Kanalzweig eines gemeinsamen überströmkanalsystems in den Verbrennungsraum nur eines der beiden gegenüberliegenden Zylinder gedrückt, und zwar in den Dadurch, daß erfindungsgemäß das Aufladesystem in bezug auf die beiden Zylinder in bezug auf den Gaswechsel völlig getrennt arbeitet, wird die Voraussetzung geschaffen für ein leistungsverbessertes Arbeiten der einzelnen Zylinder. Diese Leistungssteigerung basiert insbesondere darauf, daß beim jeweiligen Arbeitstakt durch den abwärts sich bewegenden Kolben mit Hilfe des Überström-Rückschlagventils eine erste Teilmenge der gesamten Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches im überströmkanal mit Vordruck (Überdruck) gespeichert wird, die für die spätere Aufladung des Zylinders sofort zur Verfügung steht, d.h. die gewissermaßen vor dem Brennraum, d.h. vor dem noch geschlossenen Zylinder-Einlaßorgan steht. Wird dieses dann zu Beginn des Ladetaktes geöffnet, strömt die unter Vordruck stehende erste Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches sehr rasch in den Verbrennungsraum hinein. Ihr folgt dann unmittelbar die zweite Teilmenge der Ladeluft bzw. des Kraftstoff-Luftgemisches nach, die während des Ansaugtaktes durch den abwärtsgehenden Kolben über das Überström-Rückschlagventil und durch den überströmkanal in den Zylinderraum gelangt. Infolge der durch den Vordruck initierten hohen Einströmgeschwindigkeiten der ersten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches in den Zylinder wird ein auf die zweite Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches einwirkender Nachsog erzeugt, der seinerseits das Einströmen der zweiten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches unterstützt. Das impulsivere Einströmen der ersten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches bewirkt außerdem eine intensivere und schnellere Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft, was den Verbrennungswirkungsgrad erhöht und damit zu einer besseren Leistungsausbeute führt.For example, DE-OS 33 15 853 shows a method for operating a four-stroke engine with pairs of opposing cylinders that work 180 ° out of phase. The pistons move in opposite directions and their reciprocating motion is converted into a rotary motion by means of a crank mechanism. When the two pistons move outwards at the same time, ie towards the cylinder head, fresh air or fuel-air mixture is drawn into the crankcase via an inflow check valve. Subsequently, during the simultaneous inward stroke, i.e. when the two pistons are moving towards the crank mechanism, the fresh air previously sucked in or the fresh gas from the crank chamber is pressed into the combustion chamber through only one branch of a common overflow duct system, namely into the opposite cylinder The fact that, according to the invention, the supercharging system works completely separately with respect to the two cylinders with respect to the gas exchange, the prerequisite is created for improved performance of the individual cylinders. This increase in performance is based in particular on the fact that, during the respective work cycle, the piston moving downward, with the aid of the overflow check valve, stores a first subset of the total charge air or the fuel / air mixture in the overflow channel with pre-pressure (overpressure), which is required for the subsequent charging of the cylinder is immediately available, that is, as it were, in front of the combustion chamber, ie in front of the still closed cylinder inlet element. If this is then opened at the start of the charging cycle, the first subset of the charge air or the fuel-air mixture, which is under pre-pressure, flows very quickly into the combustion chamber. It is then immediately followed by the second subset of the charge air or the fuel-air mixture, which reaches the cylinder chamber during the intake stroke through the downward-moving piston via the overflow check valve and through the overflow channel. As a result of the high inflow velocities of the first subset of the charge air or the fuel / air mixture initiated by the pre-pressure into the cylinder, a after-suction is generated which affects the inflow of the second subset of the charge air or the fuel -Air mixture supported. The more impulsive inflow of the first part of the charge air or the fuel-air mixture also results in a more intensive and faster mixing between fuel and air, which increases the combustion efficiency and thus leads to a better performance.
Die Bauweise eines Kurbelschleifenmotors kommt dem erfindungsgemäßen Ladesystem insofern entgegen, als die einzelnen Zylinder gegenüber dem Kurbelgehäuse praktisch hermetisch abgeschlossen werden können.The construction of a cranked loop motor complies with the charging system according to the invention in that the individual cylinders can be hermetically sealed against the crankcase.
Aus der DE-PS 920 758 ist zwar eine Brennkraftmaschine mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern bekannt, deren Kolben mittels Kolbenstangen über eine Kurbelschleife miteinander verbunden sind. Jedoch handelt es sich dort um eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei der lediglich zum Brennraum führende Einlaßventile vorhanden sind, und bei der das Gasgemisch ebenfalls über den beiden Zylindern gemeinsamen Kurbelschleifenraum zugeführt wird.From DE-PS 920 758 an internal combustion engine with two oppositely arranged cylinders is known, the pistons of which are connected to one another by means of piston rods via a crank loop. However, there is a two-stroke internal combustion engine, in which there are only inlet valves leading to the combustion chamber, and in which the gas mixture is likewise supplied via the crank loop space common to the two cylinders.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mehr oder minder schematisch dargestellt. Es zeigen
Figur 1 eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit zwei gegenüberliegenden Zylindern und gleichlaufenden Kolben mit einem Kurbelschleifentrieb, mit einem Kolben im oberen Totpunkt, entsprechend Takt I,Figuren 2 bis 4 die Kolbenstellungen der beiden Zylinder nachFigur 1 gemäß den verschiedenen motorischen Takten II bis IV.
- 1 shows a four-stroke internal combustion piston engine with two opposing cylinders and synchronous pistons with a crank loop drive, with a piston at top dead center, corresponding to stroke I,
- Figures 2 to 4, the piston positions of the two cylinders of Figure 1 according to the different motor cycles II to IV.
Wie aus den Figuren 1 bis 4 hervorgeht, besteht die Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine im wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden Zylindern 1 und 2 mit aufgesetzten Zylinderköpfen 3 und 4. In den Zylindern 1 und 2 sind je ein Kolben 5 und 6 gelagert, die über geradlinig sich bewegende Kolbenstangen 7 und 8 und durch einen an diesen starr befestigten Kurbelschleifenrahmen 9 fest miteinander gekoppelt sind. Der Kurbelschleifenrahmen schließt eine Kulisse 10 ein, in der ein Gleitstein 11 läuft, der am Kurbelarm der Kurbelwelle 12 angreift. Am unteren Ende der Zylinder 1 und 2 sind an dort vorgesehenen überström-Rohrstutzen 13 und 14 Überströmkanäle 15 und 16 angeschlossen, die jeweils zu einem Zylinderkopfeinlaß 17 bzw. 18 führen. Die überströmkanäle 15 und 16 werden gesteuert durch überström-Rückschlagventile 19 und 20, die zu den überströmkanälen 15 und 16 hin öffnen, in umgekehrter Richtung jedoch sperren. Sowohl die Zylinderkopfeinlässe 17 und 18 als auch die Zylinderkopfauslässe 21 und 22 werden jeweils durch einen Drehschieber 23 bzw. 24 gesteuert. Ferner sind Ansaugstutzen 25 und 26 vorhanden, die ebenfalls am unteren Ende der Zylinder 1 und 2, und zwar gegenüber den überström-Rohrstutzen 13 und 14, angeordnet sind. Sie dienen zum Einströmen der Frischluft oder eines Kraftstoff-Luftgemisches. In diesen Ansaugstutzen 25 und 26 sind ebenfalls Einström-Rückschlagventile 27 und 28 eingebaut. Als Rückschlagventile dienen an sich bekannte Membran-Ventile.As can be seen from Figures 1 to 4, the four-stroke internal combustion engine consists essentially of two
Die dargestellte, nach dem Viertaktverfahren arbeitende Zweizylinder-Brennkraftkolbenmaschine arbeitet wie folgt: Nach Fig. 1 der Zeichnung hat der Kolben 5 gerade den Verdichtungstakt im Zylinder 1 beendet und befindet sich im oberen Totpunkt OT - Kurbelwelle und Drehschieber nehmen die Null-Stellung ein - . Während des Verdichtungstaktes hat der Kolben 5 gleichzeitig Frischluft (Ladeluft) oder ein Kraftstoff-Luftgemisch über den Ansaugstutzen 25 und das Einström-Rückschlagventil 27 in den unteren Zylinderraum 29 angesaugt. Der Drehschieber 23 verschließt während der vorbeschriebenen Vorgänge sowohl den Zylinderkopf-Einlaß 17 wie auch den Zylinderkopf-Auslaß 21 des Zylinderkopfes 3. Kurz bevor der Kolben 5 den oberen Totpunkt OT erreicht hat, setzt in üblicher Weise die Zündung ein und die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches beginnt. Durch den steigenden Druck der Verbrennungsgase wird der Kolben 5 zum unteren Totpunkt UT - die Kurbelwelle hat sich um 1800 und der Drehschieber um 90° gedreht - bewegt und schiebt dabei die im unteren Zylinderraum 29 befindliche Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch über das überström-Rückschlagventil 19 in den Überströmkanal 15 hinein. Diese Frischluftmenge bzw. Kraftstoff-Luftgemischmenge wird als erste Teilmenge (1.TM) der gesamten Frischluft bzw. des gesamten Kraftstoff-Luftgemisches zur vollen Aufladung eines Zylinders (eine Zylinderfüllung) bezeichnet (Fig. 1 und 2). Diese erste Teilmenge (1.TM) an Frischluft bzw. an Kraftstoff-Luftgemisch bleibt während des darauffolgenden Auspufftaktes, bei dem der Kolben 5 sich zum oberen Totpunkt OT - Kurbelwellendrehung 360°, Drehschieberdrehung 180° - hin bewegt, im Überströmkanal 15 vorverdichtet gespeichert; vgl. Fig. 3. Um einen Vordruck dieser ersten Teilmenge zu erreichen, ist der Überströmkanal 15 (auch der überströmkanal 16) volumenmäßig kleiner als das Hubvolumen des unteren Zylinderraumes 29, des Zylinders 1 und des unteren Zylinderraumes 30 des Zylinders 2. Während des Auspufftaktes wird eine zweite Teilmenge (2.TM) von Frischluft bzw. Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch durch den Ansaugstutzen 25 über das Einström-Rückschlagventil 27 in den unteren Zylinderraum 29 hinein durch Unterdruck gefördert (Fig. 3).The two-cylinder internal combustion engine which works according to the four-stroke process works as follows: According to FIG. 1 of the drawing, the
Nun erfolgt der Ansaugtakt (Fig. 4), bei dem der Kolben 5 nach unten in den UT geht - Kurbelwellendrehung nunmehr 540°, Drehschieberdrehung nunmehr 270° - und der Zylinderkopfeinlaß 17 durch den Drehschieber 23 freigegeben ist. Die im überströmkanal 15 mit Überdruck gespeicherte erste Teilmenge (1.TM) der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches strömt sofort mit hoher Eigendynamik in den Verbrennungsraum 30 ein; ihr folgt die durch den abwärts sich bewegenden Kolben 5 angetriebene zweite Teilmenge (2.TM) der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches über das Überström-Rückschlagventil 19 und durch den Überströmkanal 15 sofort nach (Fig. 4) - Kurbelwellendrehung nunmehr 720° (wieder bei 0°), Drehschieberdrehung nunmehr 360° (wieder bei 0°) - .Now the intake stroke (Fig. 4) takes place, in which the
Der Zylinder 2 arbeitet zusammen mit seinem Kolben 6 in bezug auf den Zylinder 1 mit seinem Kolben 5 um 180° phasenverschoben, wie sich aus der Zeichnung in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung sofort ergibt.The
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