WO1998029644A1 - Verfahren zum erzeugen von physikalischer leistung mit hubkolben-brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO1998029644A1
WO1998029644A1 PCT/EP1997/007317 EP9707317W WO9829644A1 WO 1998029644 A1 WO1998029644 A1 WO 1998029644A1 EP 9707317 W EP9707317 W EP 9707317W WO 9829644 A1 WO9829644 A1 WO 9829644A1
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crankshaft
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Martin Wimmer
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Martin Wimmer
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    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/028—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation for two-stroke engines
    • F02D13/0284—Variable control of exhaust valves only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B27/00—Use of kinetic or wave energy of charge in induction systems, or of combustion residues in exhaust systems, for improving quantity of charge or for increasing removal of combustion residues
    • F02B27/04—Use of kinetic or wave energy of charge in induction systems, or of combustion residues in exhaust systems, for improving quantity of charge or for increasing removal of combustion residues in exhaust systems only, e.g. for sucking-off combustion gases
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for generating physical power with reciprocating piston internal combustion engines according to the preamble of claim 1, ff., And four possible designs of reciprocating piston internal combustion engines according to patent claims 12-15.
  • Such methods are generally known and are operated in so-called four-stroke and two-stroke engines with different fuels (gasoline, diesel, biological fuels, gases, hydrogen, etc.).
  • Four so-called cycles are carried out by reversing cycles of a piston, the crankshaft making two revolutions (720 °) in the so-called four-stroke process for one work cycle, and one revolution (360 °) in the so-called Two-stroke process.
  • the exhaust valve usually opens at the end of the work cycle and closes shortly after the start of the intake cycle, so that the exhaust valve is open during the entire exhaust cycle.
  • the intake valve opens towards the end of the exhaust stroke and closes shortly after the start of the compression stroke, so that the intake valve is open during the entire intake stroke.
  • the mixture is ignited shortly before the end of the compression stroke.
  • the power density of a four-stroke engine is low.
  • one work cycle takes place during each revolution of the crankshaft, which means that the power density is also higher than in the four-stroke process.
  • the mixture is moved by the piston moving upwards into the crankshaft located below the piston. sucked in and pre-compressed as the piston moves down. During this downward movement of the piston, the exhaust port in the cylinder wall is released, whereby the exhaust gas, which is still under high pressure, escapes into an exhaust system.
  • Another object is to provide reciprocating internal combustion engines that operate using such a method.
  • the first object is achieved according to the characterizing part of claim 1 in that during each reversing cycle, by utilizing vibrations processes in the exhaust system and not by charging the Firschgase or by the suction lifting movement of the piston (apart from its time control function when opening and closing any inlet and outlet channels), a gas change in the cylinder chamber is effected and that this means that every reversing cycle the piston can ignite the mixture.
  • the invention is based on the findings of the inventor in accordance with published patent application DE 44 46 057 AI and international publication number WO 96/19650, each dated June 27, 1996, in particular patent claim 19.
  • These findings of the inventor led to the combination of features of the four-stroke process with features of the two-stroke process according to the invention, since based on these findings of the applicant a gas change even without the suction Stroke effect of the piston (apart from its timing function when opening and closing any inlet and outlet channels) is possible.
  • the gas exchange in so-called reciprocating piston internal combustion engines of all types can only be brought about by utilizing the vibrations of a correspondingly designed exhaust system which is described below as a resonance exhaust system by two-stroke engines in racing.
  • the pressure waves which arise from the respective number of combustions and which emerge from the cylinder space after the combustion through the exhaust port are transformed into frequent vacuum waves (intake) and frequency by the shape of the latter with diffusers, cones, counter cones and tailpipe nozzle Counter pressure waves (charging of the fresh gases sucked into the resonance exhaust system by the vacuum wave) are converted.
  • the resulting vacuum waves are strong enough to trigger a gas change alone, and the counter pressure waves are strong enough to achieve a charging effect.
  • an engine originally designed for operation according to the so-called four-stroke process with a corresponding change in the valve timing in conjunction with an appropriately designed exhaust system (resonance exhaust system), perform one work cycle with every revolution of the crankshaft, i.e. convert to the mode of operation of the two-stroke process.
  • an exhaust system resonance exhaust system
  • the method according to the invention has the advantage, on the one hand, that a work cycle is assigned to each crankshaft revolution, so that the power density in the method according to the invention corresponds to that of the two-stroke method, but without, on the other hand, the mixture having to be directed through a crankshaft space, since the crankshaft space is - as in the four-stroke method - separated from the cylinder chamber and the mixture does not flow through it.
  • the fuel is supplied to the fresh gas from its inflow into the cylinder space, which can be done, for example, by an inlet port injection, the injection jet of which is directed onto the valve plate (s). In the case of intake ducts in the cylinder wall, the injection jet must be directed towards the interior of the cylinder.
  • the fuel is supplied to the fresh gas after it has flowed into the cylinder space, which can be done, for example, by an injection valve which is attached to the cylinder wall and injects into the pre-compressed air.
  • the fuel is supplied to the fresh gas after it flows into a prechamber connected to the cylinder space.
  • the fuel is preferably supplied to the fresh gas by at least one injection valve.
  • the fresh gas can additionally flow into the cylinder space under pressure, the pressure increase of the fresh gas being able to take place, for example, in a mechanical charger or in an exhaust gas turbocharger.
  • the mixture is preferably ignited by at least one third-party ignition device, for example in the case of a gasoline engine.
  • the mixture can also be ignited by compression of the mixture as self-ignition, as is the case, for example, with a diesel engine.
  • the outlet (valve in the cylinder head or channel in the cylinder wall) opens in front of the inlet (valve in the cylinder head or channel in the cylinder wall) and closes in front of the inlet, so that both the outlet and also for a predetermined period of time the inlet is open.
  • the outlet (valve in the cylinder head or channel in the cylinder wall) opens before the inlet (valve in Cylinder head or channel in the cylinder wall) and closes after the inlet, so that the outlet is open significantly longer than the inlet for a predetermined period of time.
  • the outlet (valve in the cylinder head or channel in the cylinder wall) opens in a time-variable manner by a control system before opening the inlet (valve in the cylinder head or channel in the cylinder wall), which is also variably controllable in its total opening time by a control system is, and closes, changeable in time by a control system before, during or after the inlet is closed, so that both the outlet and the inlet are open during a variable period.
  • the second object on which the invention is based is achieved by four possible designs of reciprocating piston internal combustion engines which operate according to one of the previously described methods, with at least one cylinder closed by a cylinder head at one end and in which an axially movable piston is inserted at one end of the connecting rod pivotally connected to the piston, the other end of which is rotatably mounted on a crankshaft, at least one intake port and valve in the cylinder head or an intake port in the cylinder wall and at least one exhaust port and valve in the cylinder head or an exhaust port in the cylinder wall, and, if not only channels in the cylinder wall are used for the inlet and outlet alone, at least one control shaft which urges the inlet and / or the outlet valve into an opening and closing movement and which is in drive connection with the crankshaft via a drive device what Hu Piston internal combustion engines are characterized in that the outlet duct with an appropriately designed exhaust system
  • a camshaft which acts on the intake valve and / or the exhaust valve is driven at the speed of the crankshaft, so that an opening and closing operation of the intake valve and / or the exhaust valve are assigned to the reversing cycle of the piston, that is to say each revolution of the crankshaft.
  • an exhaust system is connected to the exhaust duct, which is designed as a resonance exhaust system and converts the exhaust gas pressure wave into vacuum and counterpressure vibrations.
  • Figures 1A-1D show the four possible designs of the reciprocating piston internal combustion engines according to the invention, the single cylinder engine with two overhead camshafts for the exhaust and the inlet valve in the cylinder head in Figure 1A, the single cylinder engine with an overhead camshaft for the exhaust valve in the cylinder head and an inlet duct in the cylinder wall in FIG. 1B, which acts as a single-cylinder engine with an overhead camshaft for the inlet valve in the cylinder head and an outlet duct in the cylinder wall in FIG. 1C, and as a single-cylinder engine with an outlet duct in the cylinder wall and an inlet duct in the cylinder wall in 1D, are shown in connection with the necessary resonance exhaust system.
  • single-cylinder engines are also conceivable which have several valves in the cylinder head and / or channels in the cylinder wall on the intake and / or exhaust side.
  • FIGS. 2A-2C show diagrams of the opening and closing times of the
  • Valves in the cylinder head and / or the channels in the cylinder wall depending on the crankshaft angle are provided.
  • a piston 2 is arranged axially displaceably in the cylinder 1.
  • the cylinder 1 is connected at its upper end to a cylinder head 3, a cylinder head gasket 13 being arranged between the cylinder 1 and the cylinder head 3.
  • a cylinder head space 15 arranged coaxially with the cylinder, which essentially merges continuously into the cylinder space 16 enclosed by the cylinder 1.
  • the piston 2 is connected in a known manner via a connecting rod 5 to a crankshaft 4, which is rotatably mounted in a crankshaft space below the cylinder 1.
  • the connecting rod 5 is pivotally mounted on its upper end on the piston 2 and rotatably supported on the crankshaft 4 with its other lower end. In this way, a vertical reversing movement of the piston 2 is converted into a rotary movement of the crankshaft 4 in a generally known manner.
  • an inlet channel 12 with a pre-positioned inlet membrane 17 is provided in the cylinder head 3, which opens into the cylinder head space 15.
  • the mouth of the intake port 12 in the cylinder head space 15 is closed by an intake valve 6 ( Figures IN IC).
  • the intake valve 6 ( Figures IN IC) is acted upon in a known manner by a rotating intake camshaft 8 for opening and closing the mouth of the intake port 12 into the cylinder head space 15.
  • Conventional valve return mechanisms which are not shown in the schematic illustration of FIGS. 1A, IC, pretension the inlet valve 6 in its closed position.
  • an inlet channel 19 with an inlet membrane 17 placed in front is provided in cylinder 1, which opens into cylinder chamber 16.
  • the opening of the inlet channel 19 into the cylinder space 16 is opened and closed by the reversing piston in connection with a variable time control system 21 (FIGS. 1B, 1D).
  • a variable time control system 21 (FIGS. 1B, 1D).
  • an outlet duct 14 (FIGS. 1A, 1B) which leads out of the cylinder head space 15 (FIG. 1A) opposite the mouth of the inlet duct 12 or which extends above the mouth of the inlet duct 19 through the cylinder wall into the cylinder space 16 ( 1B) leads out of the cylinder head space 15.
  • the mouth of the exhaust port 14 is closed by an exhaust valve 7 (FIG.
  • FIGS. 1A-1D The arrangements of the inlet ducts (12 and 19) and the outlet ducts (14 and 25) shown in FIGS. 1A-1D are particularly advantageous for carrying out the method according to the invention, since the exhaust gas pressure wave in conjunction with the design of the resonance exhaust system with diffuser (26 ), Cone (27), counter cone (28) and tailpipe nozzle (29) arising, under and counter pressure waves allow a quick gas change
  • a spark plug 10 is provided in the cylinder head, essentially in the region of the cylinder axis, and an injection valve 11 is laterally offset from it.
  • the spark plug 10 and the injection valve 11 function in a manner known to the person skilled in the art and can also be arranged in another way.
  • the injection valve 11 can also be arranged in the intake manifold (Inlet channels 12 and 19) can be provided, but it can also be arranged on the cylinder wall and / or the cylinder head.
  • several spark plugs and / or injection valves can be provided in a respective arrangement
  • the spark plug can be dispensed with and, if necessary, can be replaced by a glow plug.
  • a prechamber can also be provided in the cylinder head, which is connected to the cylinder head space 15 and in which before the injector opens.
  • the injection valve 11 can also open directly into the cylinder head space 15 in the case of a compression-ignition engine.
  • the crankshaft 4 is provided with a drive wheel 20 shown in dot-dash lines, and the camshafts 8 and / or 9 are each provided with a corresponding drive wheel 22 and / or 24.
  • the drive wheels 20, 22 and / or 24 are connected to one another via a rotating drive means 18 or via gear wheels.
  • the drive wheels 20, 22 and / or 24 can be chain sprockets or toothed belt wheels, for example, the rotating drive means 18 being formed by a drive chain or a toothed belt.
  • the diameter of the drive wheels 20, 22 and / or 24 is essentially identical, so that the respective speed of the camshafts 8 and / or 9 corresponds to that of the crankshaft 4.
  • crankshaft 4 and the camshafts 8 and / or 9 are also conceivable, such as a vertical shaft gear or other transmission mechanisms.
  • FIG. 2A shows a circle which schematically represents one revolution of the crankshaft, the direction of rotation corresponding to the clockwise direction (arrow x).
  • the top dead center OT in which the piston assumes its upper position
  • the lower dead center UT in which the piston assumes its lowest position, are drawn on the circle.
  • the time of opening the exhaust valve 7 or the exhaust port 25 leading from the cylinder space is designated AO and is preferably in the range between 1 10 Grand and 65 Grand, preferably between 95 degrees and 65 degrees, more preferably between 80 degrees and 65 degrees before bottom dead center UT.
  • the time of opening of the inlet valve 6 or of the inlet channel 19 opening into the cylinder space is designated EO and is after the opening time AO of the outlet valve 7 or outlet channel 25, preferably between 75 degrees before bottom dead center UT and bottom dead center UT itself .
  • the time of closing the exhaust valve 7 or the exhaust port 25 leading from the cylinder space is designated AS and is preferably in the range between the bottom dead center UT and about 110 degrees after the bottom dead center UT, preferably 5 degrees to 95 degrees after the bottom Dead center UT:
  • the time of closing the inlet valve 6 or the inlet channel 19 leading into the cylinder space is designated ES and is preferably in the range between bottom dead center UT and about 100 degrees after bottom dead center UT, preferably in the range between 30 degrees and 75 degrees after bottom dead center UT.
  • the opening times AO and EO correspond to the opening times described in connection with FIG. 2A; however, the closing time AS is later than the closing time ES.
  • the counter-pressure wave that arises in connection with the exhaust system comes into play with its supercharging effect.
  • FIG. 2C shows a special embodiment of the method according to the invention, the opening times AO and EO being variable with respect to one another by means of variable control systems in such a way that the crankshaft angle between AO and EO can be designed differently, but AO is always before EO; the closing times AS and ES can also be changed with respect to one another by means of variable control systems in such a way that the crankshaft angle between AS and ES can be designed differently, with AS being able to lie either before, essentially simultaneously or after ES.
  • the vacuum and counter pressure waves that arise in connection with the exhaust system (resonance exhaust system), with their suction and charging effects, come into their own to increase performance.

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen von physikalischer Leistung mit Hubkolben-Brennkraftmaschinen, bei welchem in zumindest einer Kolben-Zylinder-Einheit ein Kolben in einem Zylinder reversiert und die Reversierbewegung über ein Pleul auf eine Kurbelwelle überträgt, bei welchem der Kolben ein Gemisch aus Frischgas und Kraftstoff verdichtet, bei welchem das Gemisch dann gezündet wird und den Kolben in eine entgegengesetzte Richtung bewegt, bei welchem die so entstandene Abgasdruckwelle in ein entsprechend ausgelegtes Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem) ausströmt, das durch seine Formgebung mit Diffusor, Konus, Gegenkonus und Endrohrdüse Unterdruckwellen und Gegendruckwellen erzeugt, bei welchem durch die erzeugte Unterdruckwelle der Zylinderraum entleert wird, bei welchem diese Unterdruckwelle weiterhin Frischgas durch einen Einlaß ansaugt, bei welchem die im Auspuffystem erzeugte Gegendruckwelle das Frischgas zusätzlich auflädt, bewirken diese Unter- und Gegendruckwellen einen Gaswechsel im Bereich des Unteren Totpunktes, ohne die Hubbewegung des Kolbens durch einen Leertakt wie beim Viertaktverfahren oder ohne das Durchströmen des Kurbelwellenraumes unterhalb des Kolbens wie beim Zweitaktverfahren zu benötigen. So sind vier Ausführungen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen möglich, bei welchen die durch die Verbrennung entstandene Abgasdruckwelle durch zumindest einen Auslaßkanal, entweder direkt durch die Zylinderwand aus dem Zylinderraum, oder durch eine, von zumindest einem Auslaßventil verschließbare Ventilöffnung durch den Zylinderkopf aus dem Zylinderraum, in ein entsprechend ausgelegtes Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem) ausströmt, bei welchem mittels der dort erzeugten Unterdruckwelle Frischgas angesaugt wird und durch einen Einlaßkanal, entweder direkt durch die Zylinderwand in den Zylinderraum, oder durch eine, von zumindest einem Einlaßventil verschließbare Ventilöffnung durch den Zylinderkopf in den Zylinderraum einströmt und bei welchem die Überdruckwelle desselben Auspuffsystems eine Aufladung der Gase im Zylinderraum bewirkt.

Description

Verfahren zum Erzeugen von physikalischer Leistung mit
Hubkolben-Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von physikalischer Leistung mit Hubkolben-Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ff., sowie vier möglichen Ausführungen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen gemäß den Patentansprüchen 12 - 15.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und werden bei sogenannten Viertakt- und Zweitaktmotoren mit verschiedenen Brennkraftstoffen (Benzin, Diesel, biologischen Kraftstoffen, Gasen, Wasserstoff usw.) betrieben. Vier sogenannte Takte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) werden dabei durch Reversierzyklen eines Kolbens ausgeführt, wobei die Kurbelwelle zwei Umdrehungen (720°) bei dem sogenannten Viertaktverfahren für einen Arbeitstakt durchführt, und eine Umdreh- ung (360°) bei dem sogenannten Zweitaktverfahren.
Bei dem Viertaktverfahren erfolgt während dieser zwei Umdrehungen eine Zündung des im Brennraum befindlichen Gemischs, wobei die Zündung den Arbeitstakt einleitet. Üblicherweise öffnet bei diesem bekannten Verfahren das Auslaßventil am Ende des Arbeitstaktes und schließt kurz nach Beginn des Ansaugtaktes, so daß das Aus- laßventil während des gesamten Ausstoßtaktes geöffnet ist. Das Einlaßventil öffnet gegen Ende des Ausstoßtaktes und schließt kurz nach Beginn des Verdichtungstaktes, so daß das Einlaßventil während des gesamten Ansaugtaktes geöffnet ist. Die Zündung des Gemisches erfolgt kurz vor dem Ende des Verdichtungstaktes. Dieses Viertaktverfahren besitzt den Vorteil, daß über den gesamten Drehzahlbe- reich die Zylinderfüllung durch die Wahl der Steuerzeiten, das heißt der Öffnungs- und der Schließzeitpunkte der Ventile, im Füllungsgrad beeinflußt werden kann. Sie ist aber direkt abhängig vom Hubvolumen des Kolbens. Durch die Nutzung nur jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung zur Arbeitserzeugung ist jedoch die Leistungsdichte eines Viertaktmotors gering. Bei dem Zweitaktverfahren erfolgt während jeder Umdrehung der Kurbelwelle ein Arbeitstakt, somit ist auch die Leistungsdichte höher als beim Viertaktverfahren. Beim allgemein bekannten Zweitaktverfahren wird das Gemisch durch den sich nach oben bewegenden Kolben in den sich unterhalb des Kolbens befindlichen Kurbelwel- lenraum angesaugt und bei der Abwärtsbewegung des Kolbens vorverdichtet. Bei dieser Abwärtsbewegung des Kolbens wird der Auslaßkanal in der Zylinderwand freigegeben, wodurch das, sich noch unter hohem Druck befindliche, Abgas in ein Auspuffsystem entweicht. Gleichzeitig gelangt, durch die Abwärtsbewegung des Kolbens in dem Kurbelwellenraum vorverdichtetes, Gemisch durch sogenannte Überstromkanäle in den Zylinderraum und treibt Restgase aus diesem Zylinderraum. Obwohl das allgemein bekannte Zweitaktverfahren den großen Vorteil besitzt, daß jeder Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt zugeordnet ist, wird das Zweitaktverfahren heute im Kraftfahrzeugbau wegen seines schlechten Abgasverhaltens nicht mehr häufig verwendet. Ein wesentlicher Nachteil, welcher zum schlechten Abgasverhalten führt, ist die Tatsache, daß zum Beispiel wegen der Durchströmung des Kurbelwellengehäuses dem Kraftstoff Öl beigesetzt werden muß, um für eine Schmierung im Bereich der Kurbelwelle und auch des Zylinders zu sorgen, und daß beim Gaswechsel unverbrannte Frischgasanteile in das Auspuffsystem abgegeben werden, wodurch der Zweitaktmotor sein schlechtes Abgasverhalten erhält.
Bei den beiden beschriebenen und allgemein bekannten Verfahren erfolgt das Ansaugen von Frischluft durch die Kolbenbewegung. Bei dem sogenannten Viertaktverfahren durch die Abwärtsbewegung des Kolbens, durch Kanäle mit zeitlich gesteuer- ten Ventilen, direkt in den Zylinderraum, bei dem sogenannten Zweitaktverfahren durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens, durch Kanäle mit zeitlichen Steuerungssystemen (Kolbenunterkante, Drehschieber, Membrane, usw.) in den Kurbelwellenraum.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen von physikalischer Leistung mit Hubkolben- Brennkraftmaschinen zu schaffen, welches eine hohe Leistungsdichte und je nach Auslegung auch ein gutes Abgasverhalten aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist es, Hubkolben-Brennkraftmaschinen zu schaffen, die nach einem derartigen Verfahren arbeiten.
Die erste Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß während jedem Reversierzyklus, durch die Ausnutzung von Schwin- gungsvorgängen im Auspuffsystem und nicht durch Aufladung der Firschga- se oder durch die ansaugende Hubbewegung des Kolbens (außer seiner zeitlichen Steuerfunktion bei dem Öffnen und Schließen von evtl. vorhandenen Ein- und Auslaßkanälen), ein Gaswechsel im Zylinderraum bewirkt wird und daß dadurch bei jedem Reversierzyklus des Kolbens eine Zündung des Gemisches erfolgen kann.
Durch die erfindungsgemäße Art des Gaswechsels im Zylinderraum, die bei jedem Reversierzyklus des Kolbens, das heißt bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle, stattfinden kann und durch das Zünden des dadurch in den Zylinderraum gelangten Frischgases bei jedem Reversierzyklus des Kolbens, werden die allgemein bekannten sogenannten Zwei- und Viertaktverfahren abgeändert.
Es erfolgt bei jeder Kurbelwellenumdrehung ein Gaswechsel, ohne Ausnutzung der ansaugenden Hubwirkung des Kolbens (Ansaugen in den Zylinderraum durch den Zylinderkopf beim Viertaktverfahren, Ansaugen in den Kurbelwellenraum unterhalb des Kolbens beim Zweitaktverfahren), und/oder ohne alleinige Ausnutzung einer Aufladung, nur durch Ausnutzung der Schwingungsvorgänge in einem entsprechend ausgelegten Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem), das von Zweitaktmotoren im Rennsport her bekannt ist.
In Verbindung mit variablen Steuerzeiten der entsprechenden Steuervorrichtungen (Kanäle oder Ventile) erfolgt durch das Verfahren bei jeder Kurbelwellenumdrehung ein Frischgaswechsel und ein Arbeitstakt. Damit wird eine Leistungsdichte erreicht, die der des Zweitakt Verfahrens entspricht, jedoch je nach Auslegung der durch das Verfahren möglichen Hubkolben-Brennkraftmaschinen (es ist keine Durchströmung des Kurbelgehäuseraumes mehr nötig), nicht dessen Nachteile aufweist.
Der Erfindung liegen die Erkenntnisse des Erfinders gemäß der Offenlegungsschrift DE 44 46 057 AI und der Internationalen Veröffentlichungsnummer WO 96/19650 jeweils vom 27. Juni 1996, insbesondere der Patentanspruch 19 zugrunde. Diese Erkenntnisse des Erfinders führten zu der erfindungsgemäßen Verknüpfung von Merkmalen des Viertaktverfahrens mit Merkmalen des Zweitaktverfahrens, da aufgrund dieser Erkenntnisse des Anmelders ein Gaswechsel auch ohne die ansaugende Hubwirkung des Kolbens (außer seiner zeitlichen Steuerfunktion bei dem Öffnen und Schließen von evtl. vorhandenen Ein- und Auslaßkanälen), möglich ist. Nur durch Ausnutzung der Schwingungen eines entsprechend ausgelegten Auspuffsystems das, nachstehend beschrieben, von Zweitaktmotoren im Rennsport als Resonanzaus- puffsystem bekannt ist, kann der Gaswechsel bei sogenannten Hubkolben- Brennkraftmaschinen aller Art herbeigeführt werden.
Bei einem Resonanzauspuffsystem werden die durch die jeweilige Anzahl der Verbrennungen frequenten Druckwellen, die aus dem Zylinderraum nach der Verbren- nung durch den Auslaßkanal austreten, durch die Formgebung desselben mit Diffuso- ren, Konen, Gegenkonen und Endrohrdüse in frequente Unterdruckwellen (Ansaugen) und frequente Gegendruckwellen (Aufladung der durch die Unterdruckwelle in das Resonanzauspuffsystem angesaugten Frischgase) umgewandelt. Die dabei entstehenden Unterdruckwellen sind stark genug, um auch einen Gaswech- sei alleine anzuregen, und die Gegendruckwellen sind stark genug, um einen Aufladungseffekt zu erzielen.
So kann z.B. ein, ursprünglich für den Betrieb nach dem sogenannten Viertaktverfahren ausgelegter Motor, bei entsprechender Änderung der Steuerzeiten der Ventile in Verbindung mit einem entsprechend ausgelegten Auspuffsystem (Resonanz- auspuffsystem) bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle einen Arbeitstakt durchführen, also auf die Arbeitsweise des Zweitaktverfahrens umgebaut werden.
Ebenfalls kann z.B. bei einem , für den Betrieb nach dem sogenannten Zweitaktverfahren ausgelegten Motor, bei entsprechender Änderung der Kanalführungen und Steuerzeiten der Kanäle, in Verbindung mit einem entsprechend ausgelegten Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem), bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle ein Arbeitstakt erfolgen, ohne dabei die Frischgase vorher durch den Kurbelwellenraum zu leiten.
Ebenfalls sind Ausführungen von neuen Motoren möglich, deren Auslaß durch Kanäle mit Ventilen in dem Zylinderkopf erfolgt, und deren Einlaß durch Kanäle in der Zylinderwand erfolgt oder deren Auslaß durch Kanäle in der Zylinderwand erfolgt und deren Einlaß durch Kanäle mit Ventilen im Zylinderkopf erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt einerseits den Vorteil, daß jeder Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt zugeordnet ist, so daß die Leistungsdichte beim erfindungsgemäßen Verfahren der des Zweitaktverfahrens entspricht, ohne daß jedoch andererseits das Gemisch durch einen Kurbelwellenraum gelenkt werden muß, denn der Kurbelwellenraum ist - wie beim Viertaktverfahren- vom Zylinderraum getrennt und wird nicht vom Gemisch durchströmt.
Durch eine entsprechende Auslegung der Kanalführungen und Steuerungssysteme sowie Steuerungszeiten und Kraftstoffzuteilungen, ist es bei diesem Verfahren z.B. möglich, das Abgasverhalten von den dadurch möglichen Hubkolben-Brennkraftmaschinen erheblich zu verbessern.
Es sind bisher zwar schon Patentansprüche für Hubkolben-Brennkraftmaschinen er- teilt worden, die bei jeder Kurbelwellenumdrehung einen Arbeitstakt durchführen wie Beispielsweise US-Patent 4, 162,662 (Jean Melchior), US-Patent 5, 140,958 (Kobayshi et al. / Toyota) und DE-Patente 4012 491 AI, 4012 471 AI, 4012 474 AI (Dr. Krüger / Volkswagen), oder EP-A-O 459 848 (Jean Melchior et al.) und andere, diese nutzen jedoch nicht die Schwingungsvorgänge in einem entsprechend ausgelegten Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem) zum Gaswechsel, sondern versuchen, z.B. durch Aufladung der Frischgase auf einen höheren Druck als den normalen Umgebungsdruck, eine Spülung des Zylinderraumes zu erzeugen. Es wird nicht beschrieben, wie bei diesen Hubkolben-Brenkraftmaschinen die Takte Ausstoßen und Ansaugen erfolgen, sondern nur wie die Spülung des Zylinderraumes durch eine Aufladung verläuft.
Durch Aufladung alleine wird kein Schwingungsvorgang an sich erzeugt, der aber für eine optimale Füllung notwendig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kraftstoff dem Frischgas von dessen Einströmen in den Zylinderraum zugeführt, was beispielsweise durch eine Einlaßkanaleinspritzung erfolgen kann, deren Einspritzstrahl auf den oder die Ventilteller gerichtet ist. Bei Einlaßkanälen in der Zylinderwand muß der Einspritzstrahl auf den Zylinderinnenraum gerichtet sein. In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform wird der Kraftstoff dem Frischgas nach dessen Einströmen in den Zylinderraum zugeführt, was beispielsweise durch ein Einspritzventil erfolgen kann, das an der Zylinderwand angebracht ist und in die vor- verdichtete Luft einspritzt.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kraftstoff dem Frischgas nach dessen Einströmen in eine mit dem Zylinderraum verbundene Vorkammer zugeführt.
Die Zuführung des Kraftstoff zum Frischgas erfolgt vorzugsweise durch zumindest ein Einspritzventil.
Das Frischgas kann gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens zusätzlich druckbeaufschlagt in den Zylinderraum einströmen, wobei die Druckerhöhung des Frischgases beispielsweise in einem mechanischen Lader oder in einem Abgasturbolader erfolgen kann.
Vorzugsweise erfolgt die Zündung des Gemisches durch zumindest eine Fremd- Zündeinrichtung, wie beispielsweise bei einem Ottomotor.
Die Zündung des Gemisches kann aber auch durch die Verdichtung des Gemisches als Selbstzündung erfolgen, wie dies beispielsweise bei einem Dieselmotor der Fall ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens öffnet der Auslaß (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand) zeitlich vor dem Einlaß (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand) und schließt zeitlich vor dem Einlaß, so daß während einer vorgegebenen Zeitspanne sowohl der Auslaß als auch der Einlaß ge- öffnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens öffnet der Auslaß (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand) zeitlich vor dem Einlaß (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand) und schließt zeitlich nach dem Einlaß, so daß während einer vorgegebenen Zeitspanne der Auslaß deutlich länger als der Einlaß geöffnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens öffnet der Auslaß (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand) zeitlich veränderbar durch ein Steuersystem vor dem Öffnen des Einlasses (Ventil im Zylinderkopf oder Kanal in der Zylinderwand), der ebenfalls durch ein Steuersystem in seiner Gesamtöffnungszeit variabel steuerbar ist, und schließt, zeitlich veränderbar durch ein Steuersystem vor, während oder nach dem Schließen des Einlasses, so daß während einer veränderbaren Zeitspanne sowohl der Auslaß als auch der Einlaß geöffnet sind.
Die zweite, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch vier mögliche Ausführungen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, die nach einem der vorher beschriebenen Verfahren arbeiten, mit zumindest einem von einem Zylinderkopf an dem einen Ende geschlossenen Zylinder, in welchem ein axial bewegbarer Kolben eingesetzt ist, einem an seinem einen Ende mit dem Kolben schwenkbar verbundenen Pleuel, dessen anderes Ende drehbar auf einer Kurbelwelle gelagert ist, zumindest einem Einlaßkanal und -ventil im Zylinderkopf oder einem Einlaßkanal in der Zylin- derwand und zumindest einem Auslaßkanal und -ventil im Zylinderkopf oder einem Auslaßkanal in der Zylinderwand, und, falls nicht nur Kanäle in der Zylinderwand für den Ein- und Auslaß alleine verwendet werden, zumindest einer das Einlaß- und/oder das Auslaßventil in eine Öffnungs- und Schließbewegung beaufschlagenden Steuerwelle, die mit der Kurbelwelle über eine Antriebseinrichtung in Antriebsverbindung steht, welche Hubkolben-Brennkraftmaschinen dadurch gekennzeichnet sind, daß der Auslaßkanal mit einem entsprechend ausgelegten Auspuffsystem
(Resonanzauspuffsystem) in Verbindung steht, das die Abgasdruckwellen in Unterdruck- und Gegendruckschwingungen umwandelt.
Falls nicht nur Kanäle in der Zylinderwand alleine verwendet werden (deren Öffnungs- und Schließzeitpunkte durch den Kolben und/oder zeitliche Steuerungssysteme geregelt werden), wird eine das Einlaßventil und/oder das Auslaßventil beaufschlagende Nockenwelle mit der Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben, so daß je- dem Reversierzyklus des Kolbens, also jeder Umdrehung der Kurbelwelle, ein Öff- nungs- und Schließvorgang des Einlaßventils und/oder des Auslaßventils zugeordnet sind. Hierdurch wird gewährleistet, daß bei jeder Kurbelwellenumdrehung, in Verbindung mit der Auslegung der Steuerzeiten der Ventile, ein Gaswechsel, durch das entsprechend ausgelegte Auspuffsystem das Resonanzschwingungen erzeugt, im Zylinderraum erfolgen kann.
Bei allen Ausbildungen ist ein Auspuffsystem mit dem Auslaßkanal verbunden, das als Resonanzauspuffsystem ausgelegt ist und die Abgasdruckwelle in Unterdruck- und Gegendruckschwingungen umwandelt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen ist folgendes zu sehen:
Die Figuren 1A-1D zeigen die vier möglichen Ausführungen der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschinen, die als Einzylindermotor mit zwei obenliegenden Nockenwellen für das Auslaß- und das Einlaßventil im Zylinderkopf in der Figur 1A, die als Einzylindermotor mit einer obenliegenden Nockenwelle für das Auslaßventil im Zylinderkopf und einem Einlaßkanal in der Zylinderwand in der Figur 1B, die als Einzylindermotor mit einer obenliegenden Nockenwelle für das Einlaßventil im Zylinderkopf und einem Auslaßkanal in der Zylinderwand in der Figur IC, und die als Einzylindermotor mit einem Auslaßkanal in der Zylinderwand und einem Einlaßkanal in der Zylinderwand in der Figur 1D, in Verbindung mit dem notwendigen Resonanzauspuffsystem dargestellt sind.
Es sind jedoch auch Einzylindermotoren denkbar, die mehrere Ventile im Zylinderkopf und/oder Kanäle in der Zylinderwand auf der Einlaß- und/oder Auslaßseite haben.
Es sind auch Mehrzylindermotoren in den gängigen Zylinderanordnungen (beispielsweise Reihenmotor, V-Motor, Boxermotor, Sternmotor u.a.) denkbar. Die Figuren 2A-2C zeigen Diagramme der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der
Ventile im Zylinderkopf und/oder der Kanäle in der Zylinderwand in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel.
Im Zylinder 1 ist ein Kolben 2 axial verschiebbar angeordnet. Der Zylinder 1 ist an seinem oberen Ende mit einem Zylinderkopf 3 verbunden, wobei zwischen dem Zylinder 1 und dem Zylinderkopf 3 eine Zylinderkopfdichtung 13 angeordnet ist. Im Zylinderkopf 3 ist ein koaxial zum Zylinder angeordneter Zylinderkopfraum 15 ausgebildet, der im wesentlichen kontinuierlich in den vom Zylinder 1 umschlossen Zy- linderraum 16 übergeht.
Der Kolben 2 ist auf bekannte Art und Weise über ein Pleuel 5 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden, die in einem Kurbelwellenraum unterhalb des Zylinders 1 drehbar gelagert ist. Das Pleuel 5 ist mit seinem einen oberen Ende am Kolben 2 schwenkbar ge- lagert und mit seinem anderen unteren Ende an der Kurbelwelle 4 drehbar gelagert. Auf diese Art wird eine vertikale Reversierbewegung des Kolbens 2 auf allgemein bekannte Weise in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 4 umgesetzt.
In den Figuren 1A und IC ist im Zylinderkopf 3 ist ein Einlaßkanal 12 mit einer vor- angestellten Einlaßmembran 17 vorgesehen, der in den Zylinderkopfraum 15 mündet. Die Mündung des Einlaßkanals 12 in den Zylinderkopfraum 15 ist von einem Einlaßventil 6 (Figuren IN IC) verschlossen. Das Einlaßventil 6 (Figuren IN IC) wird auf bekannte Weise von einer sich drehenden Einlaßnockenwelle 8 zum Öffnen und Schließen der Mündung des Einlaßkanals 12 in den Zylinderkopfraum 15 beauf- schlagt. Übliche Ventilrückholmechanismen, die in der schematischen Darstellung der Figuren 1A, IC nicht gezeigt sind, spannen das Einlaßventil 6 in dessen Schließstellung vor.
In den Figuren 1B und 1D ist im Zylinder 1 ein Einlaßkanal 19 mit einer vorange- stellten Einlaßmembran 17 vorgesehen, der in den Zylinderraum 16 mündet. Die Mündung des Einlaßkanals 19 in den Zylinderraum 16 wird durch den reversierenden Kolben in Verbindung mit einem variablen zeitlichen Steuersystem 21 geöffnet und geschlossen (Figuren 1B, 1D). Weiterhin im Zylinderkopf 3 ist ein Auslaßkanal 14 (Figuren 1A, 1B) vorgesehen, der gegenüber der Mundung des Einlaßkanals 12 in den Zylinderkopfraum 15 (Figur 1A) aus diesem herausfuhrt oder der oberhalb der Mundung des Einlaßkanals 19 durch die Zylinderwand in den Zylinderraum 16 (Figur 1B) aus dem Zylinderkopf- räum 15 herausfuhrt Die Mundung des Auslaßkanals 14 ist von einem Auslaßventil 7 (Figuren IN 1B) verschlossen, welches von einer Auslaßnockenwelle 9 zum Öffnen und Schließen beaufschlagt wird, wobei auch das Auslaßventil 7 (Figuren IN 1B) von einem bekannten Ventilruckholmechanismus in der Schließstellung gehalten wird Die Mundung des Auslaßkanals 25 (Figuren IC, ID) aus dem Zylinderraum 16 wird durch den reversierenden Kolben in Verbindung mit einem variablen zeitlichen Steuersystem geöffnet und geschlossen (Figuren IC, ID)
Die in den Figuren 1A-1D dargestellten Anordnungen der Einlaßkanale (12 und 19) und der Auslaßkanale (14 und 25) sind zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens besonders vorteilhaft, da die, durch die Abgasdruckwelle in Verbindung mit der Auslegung des Resonanzauspuffsystems mit Diffusor (26), Konus (27), Gegenkonus (28) und Endrohrduse (29) entstehenden, Unter- und Gegendruckwellen einen schnellen Gaswechsel ermöglichen
Im Zylinderkopf ist im wesentlichen im Bereich der Zylinderachse eine Zündkerze 10 vorgesehen, sowie seitlich versetzt dazu ein Einspritzventil 1 1 Die Zündkerze 10 und das Einspritzventil 1 1 funktionieren auf dem Fachmann bekannten Weise und können auch anderweitig angeordnet sein Beispielsweise kann das Einspritzventil 11 auch im Saugrohr (Einlaßkanal 12 und 19) vorgesehen sein, es kann aber auch an der Zylinderwand und/oder dem Zylinderkopf angeordnet sein Außerdem können mehrere Zündkerzen und/oder Einspritzventile in einer jeweiligen Anordnung vorgesehen sein
Wird die erfindungsgemaße Brennkraftmaschine als Selbstzunder ausgelegt, so kann die Zündkerze entfallen und bei Bedarf durch eine Gluhkerze ersetzt werden Bei einem Selbstzunder (Dieselmotor) kann zusatzlich im Zylinderkopf eine Vorkammer vorgesehen sein, die mit dem Zylinderkopfraum 15 in Verbindung steht und in wel- ehe das Einspritzventil mündet. Grundsätzlich kann das Einspritzventil 1 1 aber auch bei einem Selbstzünder-Motor direkt in den Zylinderkopfraum 15 münden. Gemäß den Figuren 1A-1C ist die Kurbelwelle 4 mit einem strichpunktiert gezeichneten Antriebsrad 20 versehen, und die Nockenwelle 8 und/oder 9 sind jeweils mit einem entsprechenden Antriebsrad 22 und/oder 24 versehen. Die Antriebsräder 20, 22 und/oder 24 sind über ein umlaufendes Antriebsmittel 18 oder über Zahnräder miteinander verbunden. Die Antriebsräder 20, 22 und/oder 24 können beispielsweise Kettenritzel oder Zahnriemenräder sein, wobei das umlaufende Antriebsmittel 18 von einer Antriebskette oder einem Zahnriemen gebildet werden. Der Druchmesser der Antriebsräder 20, 22 und/oder 24 ist im wesentlichen identisch, so daß die jeweilige Drehzahl der Nockenwellen 8 und/oder 9 der der Kurbelwelle 4 entspricht.
Es sind aber auch andere Kraftübertragungsmechanismen zwischen der Kurbelwelle 4 und den Nockenwellen 8 und/oder 9 denkbar, wie beispielsweise ein Königswellen- getriebe oder andere Übertragungsmechanismen.
Fig. 2A zeigt einen Kreis, der eine Umdrehung der Kurbelwelle schematisch wiedergibt, wobei die Drehrichtung dem Uhrzeigersinn entspricht (Pfeil x). Auf dem Kreis sind der obere Totpunkt OT, in welchem der Kolben seine obere Stellung einnimmt und der untere Totpunkt UT, in dem der Kolben seine unterste Stellung einnimmt, eingezeichnet.
Der Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils 7 oder des aus dem Zylinderraum fuhrenden Auslaßkanals 25 ist mit AO bezeichnet und liegt bevorzugt im Bereich zwi- sehen 1 10 Grand und 65 Grand, vorzugsweise zwischen 95 Grad und 65 Grad, weiter vorzugsweise zwischen 80 Grad und 65 Grad vor dem unteren Totpunkt UT.
Der Zeitpunkt des Öffnens des Einlaßventils 6 oder des in den Zylinderraum mündenden Einlaßkanals 19 ist mit EO bezeichnet und liegt zeitlich nach dem Öffnungs- Zeitpunkt AO des Auslaßventils 7 oder Auslaßkanals 25, vorzugsweise zwischen 75 Grad vor dem unteren Totpunkt UT und dem unteren Totpunkt UT selbst. Der Zeitpunkt des Schließens des Auslaßventils 7 oder des aus dem Zylinderraum führenden Auslaßkanals 25 ist mit AS bezeichnet und liegt bevorzugt im Bereich zwischen dem unteren Totpunkt UT und etwa 1 10 Grad nach dem unteren Totpunkt UT, vorzugsweise bei 5 Grad bis 95 Grad nach dem unteren Totpunkt UT:
Der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils 6 oder des in den Zylinderraum führenden Einlaßkanals 19 ist mit ES bezeichnet und liegt bevorzugt im Bereich zwischen dem unteren Totpunkt UT und etwa 100 Grad nach dem unteren Totpunkt UT, vorzugsweise im Bereich zwischen 30 Grad und 75 Grad nach dem unteren Totpunkt UT.
Die in Verbindung mit Fig. 2A angegebenen Winkelbereiche gelten auch für die nachfolgenden Beispiele der Figuren 2B und 2C, wobei dort lediglich die Verhältnisse der Öffnungs- und Schließzeitpunkte (AO, EO, ES, AS) zueinander abgeändert sind. Vorteilhaft ist dabei, wenn die Lage des Öffnungszeitpunktes und/oder des Schließzeitpunktes jeweils bezüglich des unteren Totpunktes UT asymmetrisch liegt.
In Figur 2B entsprechen die Öffnungszeitpunkte AO und EO den in Verbindung mit Figur 2A beschriebenen Öffnungszeitpunkten; der Schließzeitpunkt AS liegt jedoch zeitlich nach dem Schließzeitpunkt ES. Bei dieser Anordnung kommt die in Verbin- düng mit dem Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem) entstehende Gegendruckwelle mit ihrem Aufladeeffekt leistungserhöhend zur Geltung.
In Figur 2C ist eine besondere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei die Öffnungszeitpunkte AO und EO durch variable Steuersysteme derart zueinander zeitlich veränderbar sind, daß der Kurbelwellenwinkel zwischen AO und EO unterschiedlich gestaltet werden kann, aber immer AO vor EO liegt; die Schließzeitpunkte AS und ES sind ebenfalls durch variable Steuersysteme derart zueinander zeitlich veränderbar, daß der Kurbelwellenwinkel zwischen AS und ES unterschiedlich gestaltet werden kann, wobei AS sowohl vor, im wesentlichen zeit- gleich oder nach ES liegen kann. Bei dieser Anordnung kommen die in Verbindung mit dem Auspuffsystem (Resonanzauspuffsystem) entstehenden Unterdruck- und Gegendruckwellen mit ihren Sog- und Aufladeeffekten leistungserhöhend zur Geltung. Bezugszeichenliste
1. Zylinder
2. Kolben 3. Zylinderkopf
4. Kurbelwelle
5. Pleuel
6. Einlaßventil
7. Auslaßventil 8. Einlaßnockenwelle
9. Auslaßnockenwelle
10. Zündkerze
11. Einspritzventil 12. Einlaßkanal Zylinderkopf 13. Zylinderkopfdichtung
14. Auslaßkanal Zylinderkopf
15. Zylinderkopfraum
16. Zylinderraum
17. Einlaßmembrane 18. Antriebsmittel
19. Einlaßkanal Zylinderwand
20. Antriebsrad
21. Zeitliches Steuersystem Einlaßkanal Zylinderwand
22. Antriebsrad 23. Zeitliches Steuersystem Auslaßkanal Zylinderwand
24. Antriebsrad
25. Auslaßkanal Zylinderwand
26. Diffusor des Resonanzauspuffsystems
27. Konus des Resonanzauspuff Systems 28. Gegenkonus des Resonanzauspuffsystems 29. Endrohrdüse des Resonanzauspuff Systems

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 Verfahren zum Erzeugen physikalischer Leistung in einer Hubkolben-
Brennkraftmaschine, bei welchem in zumindest einer Kolben-Zylinder-Einheit ein Kolben (2) in einem Zylinder (1) reversiert und die Reversierbewegung über ein Pleuel (5) auf eine Kurbelwelle (4) übertragt, bei welchem ein Gemisch aus Frischgas und Kraftstoff von einem sich in einer ersten Richtung bewegenden Kolben (2) verdichtet und gezündet wird, bei welchem das gezündete Gemisch verbrennt und dabei den Kolben (2) in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung bewegt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abgasdruckwelle durch Kanäle mit zeitlichen Steuerungssystemen in ein sogenanntes Resonanzauspuffsystem mit Diffusor (26), Konus (27), Gegenkonus (28) und Endrohrduse (29) bekannter Art und Ausbildung ausströmt, daß durch diese entsprechende Formgebung die Abgasdruckwelle zur Erzeugung von drehzahlfrequenten Druckwellen ausnutzt wird, daß eine erste Unterdruckwelle, die durch den Übergang von Diffusor (26) zu Konus (27) beim Durchströmen der Abgasdruckwelle entsteht, den Zylinderraum entleert, daß nun durch Kanäle mit zeitlichen Steuerungssystemen Frischgas weiterhin durch diese Unterdruckwelle in den Zylinderraum ansaugt werden kann, daß die, durch den Übergang von Gegenkonus (28) zu Endrohrduse (29) beim Durchströmen der Abgasdruckwelle entstehende, Gegendruckwelle einen Aufladungseffekt der im Resonanzauspuffsystem befindlichen Frischgase erzielt, so daß wahrend eines jeden Reversierzyklus des Kolbens im Bereich des unteren Tot- punktes ein Gaswechsel im Zylinderraum (16) bewirkt wird, ohne eine Aufladung der Frischgase, ohne die Hubwirkung des Kolbens durch einen Leertakt, wie bei dem allgemein bekannten Viertaktmotor, oder ohne das Einstromen in einen Kurbelwellenraum unterhalb des Kolbens wie bei dem allgemein bekannten Zweitaktmotor, zu benotigen 2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff dem Frischgas vor dessen Einstromen in den Zylinderraum zugeführt wird
3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff dem Frischgas nach dessen Einstromen in den Zylinderraum zuge- fuhrt wird
4 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff dem Frischgas nach dessen Einströmen in eine mit dem Zylinderraum verbundene Vorkammer zugeführt wird
5 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzvorrichtung (11) vorgesehen ist, die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle (4) eine vorgebbare Kraftstoffmenge dem zur Verbrennung bestimmten Frischgas zumißt
6 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Frischgas zusatzlich druckbeaufschlagt in den Zylinderraum einströmt
7 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Gemisches durch zumindest eine Fremdzundeinrichtung erfolgt 8 Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Gemisches durch eine hohe Verdichtung des Gemisches als
Selbstzundung erfolgt
9 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses (AO) vor demjenigen des Einlasses (EO) hegt und daß der Zeitpunkt der Schließung des Auslasses (AS) vor demjenigen des Einlasses
(ES) hegt, so daß wahrend einer vorgegebenen Zeitspanne, sowohl der Auslaßkanal als auch der
Einlaßkanal geöffnet sind
10 Verfahren nach einem der Anspr che 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses (AO) vor demjenigen des Einlasses (EO) hegt und daß der Zeitpunkt der Schließung des Auslasses (AS) nach demjenigen des Einlasses
(ES) hegt, so daß die gesamte Öffnungszeit des Auslaßkanals langer als die gesamte Öffnungszeit des Einlaßkanals ist
11 Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses (AO) und demjenigen des Einlasses (EO) durch variable Steuersysteme derart zueinander zeitlich veränderbar sind, daß der Kurbelwellenwinkel zwischen AO und EO über den gesamten Drehzahlbereich unterschiedlich gestaltet werden kann, aber immer AO vor EO hegt und daß die Schließzeitpunkte AS und Es ebenfalls durch variable Steuersysteme derart zueinander zeitlich veränderbar sind, so daß der Kurbelwellenwinkel zwischen AS und ES über den gesamten Drehzahlbereich unterschiedlich gestaltet werden kann, wobei AS über diesen Drehzahlbereich sowohl vor als auch nach ES liegen kann
12 Hubkolben-Brennkraftmaschine, arbeitend nach einem Verfahren der Ansprüche 1-1 1, mit zumindest einem von einem Zylinderkopf (3) am einen Ende geschlossenen Zylinder (1), in welchem ein axial bewegbarer Kolben (2) eingesetzt ist, einem an seinem ersten Ende mit dem Kolben (2) schwenkbar verbundenen Pleuel (5), dessen anderes Ende drehbar auf einer Kurbelwelle (4) gelagert ist, bei welcher Frischgas durch zumindest einen Einlaßkanal (12) mit einer vorangestellten Einlaßmembran (17) und zumindest einem Einlaßventil (6) in den im Zylinder (1) gebildeten Zylinderraum (16) einströmen kann, bei welcher die durch die Verbrennung entstandene Abgasdruckwelle durch zumindest einen Auslaßkanal (14) und zumindest ein Auslaßventil (7), die im Zylinderkopf (3) vorgesehen sind ausströmen kann, bei welcher das Einlaß- und das Auslaßventil (6, 7) durch zumindest eine, die Off- nungs- und Schließbewegung beaufschlagende Steuerwelle (8, 9), vorzugsweise einer Nockenwelle gesteuert werden, die mit der Kurbelwelle (4) über eine Antriebseinrichtung (18, 20, 22, 24) in Antriebsverbindung steht, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaßkanal mit einem sogenannten Resonanzauspuffsystem bekannter Art und Ausbildung in Verbindung steht und daß dadurch der Gaswechsel gemäß einem dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 1 1 stattfinden kann.
13 Hubkolben-Brennkraftmaschine, arbeitend nach einem Verfahren der Ansprüche 1-1 1, mit zumindest einem von einem Zylinderkopf (3) am einen Ende geschlossenen
Zylinder (1), in welchem ein axial bewegbarer Kolben (2) eingesetzt ist, einem an seinem ersten Ende mit dem Kolben (2) schwenkbar verbundenen Pleuel (5), dessen anderes Ende drehbar auf einer Kurbelwelle (4) gelagert ist, bei welcher Frischgas durch zumindest einen Einlaßkanal (19), der mit einer vorangestellten Einlaßmembran (17) und einem zeitlich variablen Steuersystem (21) durch die Zylinderwand in den Zylinderraum (16) mundet, in den, im Zylinder (1) gebildeten Zylinderraum (16) einströmen kann, bei welcher die durch die Verbrennung entstandene Abgasdruckwelle durch zumindest einen Auslaßkanal (14) und zumindest ein Auslaßventil (7), die im Zylinderkopf (3)vorgesehen sind ausströmen kann, bei welcher das Auslaßventil (7) durch zumindest eine, die Offnungs- und Schließbewegung beaufschlagende Steuerwelle (9), vorzugsweise einer Nockenwelle gesteuert wird, die mit der Kurbelwelle (4) über eine Antriebseinrichtung (18, 20, 24) in Antriebsverbindung steht, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaßkanal mit einem sogenannten Resonanzauspuffsystem bekannter Art und Ausbildung in Verbindung steht und daß dadurch der Gaswechsel gemäß einem dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 stattfinden kann
14 Hubkolben-Brennkraftmaschine, arbeitend nach einem Verfahren der Ansprüche 1-1 1, mit zumindest einem von einem Zylinderkopf (3) am einen Ende geschlossenen Zylinder (1), in welchem ein axial bewegbarer Kolben (2) eingesetzt ist, einem an seinem ersten Ende mit dem Kolben (2) schwenkbar verbundenen Pleuel (5), dessen anderes Ende drehbar auf einer Kurbelwelle (4) gelagert ist, bei welcher Frischgas durch zumindest einen Einlaßkanal (12) mit einer vorangestellten Einlaßmembran (17) und zumindest einem Einlaßventil (6) in den im Zylinder (1) gebildeten Zylinderraum (16) einströmen kann, bei welcher die durch die Verbrennung entstandene Abgasdruckwelle durch zumin- dest einen Auslaßkanal (25) in Verbindung mit einem zeitlich variablen Steuersystem (23) durch die Zylinderwand aus dem, im Zylinder (1) gebildeten Zylinderraum (16) ausströmen kann. bei welcher das Einlaßventil (6) durch zumindest eine, die Offnungs- und Schließbewegung beaufschlagende Steuerwelle (8), vorzugsweise einer Nockenwelle gesteuert wird, die mit der Kurbelwelle (4) über eine Antriebseinrichtung (18, 20, 22) in Antriebsverbindung steht, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaßkanal mit einem sogenannten Resonanzauspuffsystem bekannter Art und Ausbildung in Verbindung steht und daß dadurch der Gaswechsel gemäß einem dem Verfahren der Ansprache 1 bis 1 1 stattfinden kann
15 Hubkolben-Brennkraftmaschine, arbeitend nach einem Verfahren der Ansprüche 1-1 1, mit zumindest einem von einem Zylinderkopf (3) am einen Ende geschlossenen Zylinder (1), in welchem ein axial bewegbarer Kolben (2) eingesetzt ist, einem an seinem ersten Ende mit dem Kolben (2) schwenkbar verbundenen Pleuel (5), dessen anderes Ende drehbar auf einer Kurbelwelle (4) gelagert ist; bei welcher Frischgas durch zumindest einen Einlaßkanal (19), der mit einer vorangestellten Einlaßmembran (17) und einem zeitlich variablen Steuersystem (21) durch die Zylinderwand in den Zylinderraum (16) mundet, in dem, im Zylinder (1) gebilde- ten Zylinderraum (16) einströmen kann, bei welcher die durch die Verbrennung entstandene Abgasdruckwelle durch zumindest einen Auslaßkanal (25) in Verbindung mit einem zeitlich variablen Steuersystem (23) durch die Zylinderwand aus dem, im Zylinder (1) gebildeten Zylinderraum (16) ausströmen kann, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaßkanal mit einem sogenannten Resonanzauspuffsystem bekannter Art und Ausbildung in Verbindung steht und daß dadurch der Gaswechsel gemäß einem dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 stattfinden kann
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