EP0302851A2 - Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei welcher der Kolben an seiner Unterseite auf seinem Weg zum oberen Totpunkt über ein Klappenventil od. dgl. Luft oder Kraftstoff-Luftgemisch ansaugt und bei seiner Rückbewegung dieses Gas vorverdichtet über ein weiters Klappenventil od. dgl. und eine Verbindungsleitung den Einlaßsteuerorganen der Brennkraftmaschine zuführt.

Um den Nachteil der bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art zu vermeiden, welche das Frischgas in das Kurbelgehäuse hinein verdichten, wodurch ein schlechter Vorverdichtungswirkungsgrad des Motorkolbens durch den großen vom Kurbelgehäuse gebildeten Schadraum gegeben ist, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen­den Kurbelgehäuse (1) ein Ringschieber (12) verdrehbar gela­gert ist, den die Pleuelstange (5), welche mindestens im Be­reich des Ringschiebers (12) gleichbleibende Abmessungen in Richtung der Kurbelwellenachse (3′) aufweist, mit geringem Spiel durchsetzt, und so im Ringschieber (12) eine Ansaug- (A) und eine Druckkammer (B) einer separierten Pleuelpumpe (P) bilden, und daß der durch den Kolben (4) die Laufbüchse (2) und den Ringschieber (12) gebildete Arbeitsraum einer Kolben­pumpe (K) einen Ansaug- (21) und einen Auslaßkanal (23) mit zugehörigen Membranventilen (22 bzw. 24) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei welcher der Kolben an seiner Unterseite auf seinem Weg zum oberen Totpunkt über eine gesteuerte Öffnung Frischgas ansaugt und bei seiner Rückbewegung dieses Gas vorverdichtet und über eine Verbindungsleitung und eine weitere gesteuerte Öffnung dem Zylinder der Brennkraftmaschine zuführt und in dem im we­sentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Kur­belgehäuse die Pleuelstange, welche einschließlich dem großen Lagerauge gleichbleibende Abmessungen in Richtung der Kurbel­wellenachse aufweist, und mit ihren parallelen Stirnflächen an planen Gegenflächen im Kurbelgehäuse abdichtet und dort zwei abgetrennte Räume bildet, welche mittels Steuerorganen eine Pleuelpumpe bilden.
• Eine Zweitakt-Brennkraftmaschine dieser Art ist in der DE-PS 710 288 beschrieben, bei der beim Ansaugen durch die Kurbelgehäusepumpe das gesamte Kurbelgehäuse mit den Ansaugöffnungen in Verbindung steht, beim Verdichten der Pum­penladung das Kurbelgehäuse jedoch durch die außer dem Ar­beitskolben ebenfalls als Förderkolben dienende Pleuelstange in zwei Räume geteilt ist. Von diesen Räumen dient nur der in Drehrichtung vor der Pleuelstange dienende Raum zur Verdich­tung der Ladung, wobei die Trennung der beiden Räume durch dichte Führung der Pleuelstange an ihren Seitenflächen und ih­rer Kurbelstange an den planen und kreisrunden Innenflächen der Kurbelwangen erfolgt. Zur Abdichtung des kolbenseitigen Endes der Pleuelstange ist an dieser ein seitlicher Ansatz an­gebracht, der mit seinen Seitenteilen und seinem äußeren Ende an den Innenwänden einer am Übergang des Zylinders zum Kurbel­gehäuse angeordneten Ausbuchtung mit einer der Bewegung des Ansatzes entsprechenden Kontur dicht geführt ist.
• Mit dieser Ausführung der Kurbelgehäusepumpe für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine ist deren an sich geringer Wir­kungsgrad infolge der großen Schadräume nur geringfügig erhöht worden, und dies mit einem verhältnismäßig großem baulichen Aufwand. Kolben- und Pleuelpumpe sind dabei über den Kurbelge­häuseraum als gemeinsamen Ansaug- und Druckraum verbunden, so­daß die Anwendungsmöglichkeit auf Zweitaktmaschinen beschränkt ist.
• In der US-PS 3 973 532 ist eine Viertakt-Hubkol­ben-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Kolben auf dem Weg zu seinem oberen Totpunkt Luft oder Kraftstoff-Luftgemisch in das Kurbelgehäuse einsaugt und bei seiner Rückbewegung im Kur­belgehäuse vorverdichtete Luft zu den Ansaugorganen der Brenn­kraftmaschine fördert. Hiebei ist ein schlechter Vorver­dichtungwsirkungsgrad des Motorkolbens durch den großen vom Kurbelgehäuse gebildeten Schadraum von besonderem Nachteil. Zur Erzielung hoher Luftfördermengen, z.B. für Dieselmotoren, ist es aus der DE-OS 36 37 811 bekannt, einen zusätzlichen von der Kurbelwelle gegenläufig zum Arbeitskolben antreibbaren Hilfskolben anzuordnen. Dieser ergibt einerseits hohe Reibver­luste und insgesamt einen schlechten mechanischen Wirkungs­grad. Weiters steigt in jedem Falle die Bauraumabmessung und es ergibt sich ein beträchtlicher Mehraufwand.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und außerdem eine vielseitig einsetzbare Kurbelge­häusepumpe zu schaffen.
• Die Erfindung besteht darin, daß im Kurbelgehäuse ein Ring­schieber verdrehbar gelagert ist, den die Pleuelstange mit ge­ringem Spiel durchsetzt, sodaß durch den Kolben, die Lauf­büchse und den Ringschieber der Arbeitsraum einer Kolbenpumpe gebildet ist, welcher je einen ventilgesteuerten Ansaug- und Auslaßkanal aufweist, und daß die Pleuelstange über Spalte ei­nerseits mit der Kurbelwange und andererseits mit dem Ab­schlußdeckel des Kurbelgehäuses dichtet und so im Ringschieber eine Ansaug- und eine Druckkammer einer separierten Pleuel­pumpe bilden, die über je eine Ausnehmung im Abschlußdeckel des Kurbelgehäuses, welche etwa spiegelbildlich zu der in der unteren Totpunktlage stehenden Pleuelstange angeordnet sind, mit je anschließenden, gesteuerten Einlaß- und Auslaßkanälen in Verbindung stehen.
• Das Schadvolumen der Kolbenpumpe ist dabei sehr klein und die Drucksteigerungen in dieser Pumpe sind daher entsprechend groß. Die Pleuelstange teilt die vom Ringschieber umschlossene Kammer in zwei sich kontinuierlich periodisch ändernde Volu­mina, eine Saug- und eine Druckkammer. Durch die Arbeitsweise mit der Pleuelstange als Verdrängerelement lassen sich, be­dingt durch restloses Einsaugen und Ausschieben ohne nennens­werte Schadvolumina, hohe Drucksteigerungen erzielen. Die För­dermenge kann bei gleichbleibendem Hub durch Ändern der Pleu­elstangenbreite variiert und so an verschiedene Aufgaben ange­paßt werden. Der durch diese Anordnung entstehende kleine Schadraum erhöht den Vorverdichtungswirkungsgrad erheblich. Das dabei geförderte Luftvolumen dient einem Zweitaktmotor zur Spülung, einem Viertaktmotor als vorverdichtete Ladeluft.
• Diese Erfindung stellt somit eine Auflademöglichkeit ohne ex­ternes Spül- oder Ladegebläse für Zwei- und Viertakt-Diesel- ­oder Ottomotoren sowie für Brennkraftmaschinen, die mit ande­ren Treibstoffen z.B. Gas, betrieben werden, dar. Trotz des hohen Gewinns an Förderleistung des Motorkolbens tritt prak­tisch keine Vergrößerung des Bauvolumens gegenüber Brennkraft­maschinen mit konventioneller Kurbelkastenspülung ein.
• Eine einfache Ausführung gemäß der Erfindung ergibt sich da­durch, daß die Durchtrittsöffnung für die Pleuelstange im Ringschieber gleichbleibend ist und die Breiten der Pleuel­stange über deren Länge so bemessen sind, daß das Spiel der Pleuelstange gegenüber der Durchtrittsöffnung bei allen Win­kellagen der Pleuelstange etwa konstant ist.
• Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Pleuelpumpe Luft ansaugt und verdichtet und gemeinsam mit der Kolbenpumpe in ein saugseitig angeordnetes Sammelrohr fördert. Für gewisse Anwendungsfälle kann die Pleuelpumpe vorteilhaft als eigen­ständige Pumpe zur Förderung von Fremdgasen und die Kolben­pumpe der Motoraufladung dienen.
• Durch dynamisch dichtende Spalte können Reibverluste gering gehalten werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­läutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 und
• Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, die
• Fig. 3 bis 6 schematische Darstellungen derselben Maschi­ne zur Erläuterung deren Wirkungsweise.
• Die Zweitakt-Brennkraftmaschine besteht aus dem Kur­belgehäuse 1 mit eingegossener Laufbüchse 2, der Kurbel­welle 3, dem Kolben 4 und der Pleuelstange 5. Die Kurbel­welle 3 ist im Kurbelgehäuse 1 mittels des Wälzlagers 6 gela­gert und weist eine abgestufte Kurbelwange 7 auf, welche mit ihrer Umfangsfläche bis knapp an das Kurbelgehäuse 1 bzw. die Laufbüchse 2 heranreicht und den Kurbelzapfen 8 trägt. Dieser Kurbelzapfen 8 wird vom großen Lagerauge 9 der Pleuelstange 5 umfaßt, wobei die Länge des Kurbelzapfens gleich der durchge­hend gleichen Abmessung der Pleuelstange 5 in Richtung der Kurbelwellenachse 3′ ist. Die Pleuelstange 5, die mit dem Kol­ben 4 über den Kolbenbolzen 10 antriebsverbunden ist, weist zwei parallele Stirnflächen 5′ und 5˝ auf, von welchen die Stirnfläche 5′ mit der Kurbelwange 7 und die Stirnfläche 5˝ mit dem Abschlußdeckel 11 des Kurbelgehäuses 1 dichtet.
• Im unteren Teil des Kurbelgehäuses ist ein Ringschieber 12 mittels Nadeln 13 drehbar gelagert. Anstelle der Nadellagerung können auch in Richtung der Kurbelwellenachse verlaufende Nu­ten an einer der Gleitflächen vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, den Ringschieber durch einen Plattenschieber zu er­setzen.
• Die Pleuelstange 5 durchsetzt den Ringschieber 12, der an dem Absatz 7′ der Kurbelwange 7 mit Hilfe des Ansatzes 12′ zen­triert ist, in einem Schlitz 12˝, welcher durch die beiden ab­gerundeten Endkanten 14 und 15 des Ringschiebers 12 bestimmt ist, mit geringem Spiel. Damit dieses Spiel bei allen Stellun­gen der Pleuelstange gleich bleibt, ist die Kontur der Pleuel­stange 5 entsprechend angepaßt, wie die Fig. 3 bis 6 anschau­lich zeigen.
• Die Pleuelstange 5 unterteilt den durch den Ringschieber 12 umschlossenen Raum in die Ansaugkammer A und die Druckkam­mer B, welche je über eine nierenförmige Ausnehmung 16 bzw. 17 im Abschlußdeckel 11 mit dem Einlaßkanal 18 bzw. dem Auslaßka­nal in Verbindung stehen. Der Einlaßkanal 18 wird durch die Membranen 20 gesteuert, welche ein Rückströmen verhindern. Entsprechende Membranen sind beim nicht näher dargestellten Auslaßkanal 19 vorgesehen.
• In den Fig. 3 bis 6 ist die Wirkungsweise der Pleuelpumpe ver­anschaulicht. Von der neutralen Stellung gemäß Fig. 3 ausge­hend, bei welcher die Pleuelstange 5 sich in der oberen Tot­punktlage befindet, wird nach Fig. 4 bereits das Fördermedium in die Ansaugkammer A eingesaugt und aus der Druckkammer B ausgeschoben. Fig. 5 zeigt die Stellung, bei welcher der Kol­ben bzw. die Pleuelstange 5 ihren unteren Totpunkt erreicht hat, wobei die Ansaugkammer A und die Druckkammer B gleich groß sind. In Fig. 6 ist das Ausschieben des Fördermediums na­hezu vollständig und die Ansaugkammer A hat fast ihren Größt­wert erreicht. Bei allen Stellungen der Pleuelstange 5 hat das Spiel zwischen Pleuelstange und den Endkanten 14 und 15 des Ringschiebers 12 zufolge der angepaßten Kontur der Pleuel­stange den gewünschten gleichen kleinen Wert.
• Die Kolbenpumpe hat zufolge des Abschlusses ihres Ar­beitsraumes gegenüber dem Kurbelgehäuse durch den Ringschie­ber 12 einen nur sehr geringen Schadraum, wie aus Fig. 1 ohne weiteres ersichtlich ist. Diese Kolbenpumpe saugt über den An­saugkanal 21, welcher durch die Membrane 22 gesteuert wird, Luft an und fördert die verdichtete Luft durch den Auslaßka­nal 23, welcher durch Membranen 24 gesteuert wird. Die ver­dichtete Luft strömt über die Einlaßschlitze 25 in der Lauf­büchse 2 in den Zylinderraum 26 ein, wie durch die gestri­chelte Linie 27 angedeutet ist. Gleichzeitig strömen die ver­brannten Gase durch den Auslaßschlitz 28, wie durch die ge­strichelte Linie 29 angedeutet, aus. Die in die Pleuelpumpe einströmende Luft ist durch die gestrichelte Linie 30 und die ausströmende Luft durch die gestrichelte Linie 31 veranschau­licht. Für den Fall, daß es sich um eine Mehrzylindermaschine handelt, kann zweckmäßig ein Sammelrohr 32 vorgesehen sein, in welches sowohl die Pleuelpumpe als auch die Kolbenpumpe för­dert.
• Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind sowohl Otto- als auch Dieselmotoren und Gasmotoren in Zwei- ­und Viertaktbauweise, insbesondere Kleinmotoren zur Verwendung z.B. bei Kettensägen, tragbaren Stromaggregaten und Pumpen, Mopedmotoren und Motoren für Motorräder und Flugzeugantrieb z.B. Segelflugzeuge. Aber auch für größere und große Motoren sowohl im Einzylinder- als auch im Mehrzylinderbauart bei ent­sprechender konstruktiver Gestaltung des Kurbelkastenraumes, ist die erfindungsgemäße Ausführung anwendbar.

Claims (4)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei welcher der Kolben an seiner Unterseite auf seinem Weg zum oberen Totpunkt über eine gesteuerte Öffnung Frischgas ansaugt und bei seiner Rückbewegung dieses Gas vorverdichtet und über eine Ver­bindungsleitung und eine weitere gesteuerte Öffnung dem Zylinder der Brennkraftmaschine zuführt und in dem im we­sentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Kurbelgehäuse die Pleuelstange, welche einschließlich dem großen Lagerauge (9) gleichbleibende Abmessungen in Rich­tung der Kurbelwellenachse (3′) aufweist, und mit ihren parallelen Stirnflächen (5, 5′) an planen Gegenflächen im Kurbelgehäuse abdichtet und dort zwei abgetrennte Räume bildet, welche mittels Steuerorganen eine Pleuelpumpe bil­den, dadruch gekennzeichnet , daß im Kurbelgehäuse (1) ein Ringschieber (12) verdrehbar gelagert ist, den die Pleuel­stange (5) mit geringem Spiel durchsetzt, sodaß durch den Kolben (4), die Laufbüchse (2) und den Ringschieber (12) der Arbeitsraum einer Kolbenpumpe (K) gebildet ist, wel­cher je einen ventilgesteuerten Ansaug- (21) und Auslaßka­nal (23) aufweist, und daß die Pleuelstange (5) über Spalte einerseits mit der Kurbelwange (7) und andererseits mit dem Abschlußdeckel (11) des Kurbelgehäuses (1) dichtet und so im Ringschieber (12) eine Ansaug- (A) und eine Druckkammer (B) einer separierten Pleuelpumpe (P) bilden, die über je eine Ausnehmung (16, 17) im Abschluß­deckel (11) des Kurbelgehäuses (1), welche etwa spiegel­bildlich zu der in der unteren Totpunktlage stehenden Pleuelstange angeordnet sind, mit je anschließenden, ge­steuerten Einlaß- (18) und Auslaßkanälen (19) in Verbin­dung stehen.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (12˝) für die Pleuelstange (5) im Ringschieber (12) gleichbleibend ist und die Breiten der Pleuelstange (5) über deren Länge so bemessen sind, daß das Spiel der Pleuelstange gegenüber der Durchtrittsöffnung (12˝) bei allen Winkellagen der Pleuelstange (5) etwa konstant ist.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Pleuelpumpe (P) Luft ansaugt, ver­dichtet und gemeinsam mit der Kolbenpumpe (K) in ein saug­seitig angeordnetes Sammelrohr (32) fördert.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Pleuelpumpe (P) als eigenständige Pumpe zur Förderung von Fremdgasen und die Kolbenpumpe (K) der Motoraufladung dient.

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