„Verbrennungsmotor" "Engine"
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem in einem vorzugsweise zylinderförmigen Hohlraum hin- und herschiebbar angeordneten Kolben, insbesondere Hubkolben, wobei der Kolben und der Hohlraum einen Brennraum definieren und wobei der Kolben mit einer Welle, insbesondere Kurbelwelle, zum Antreiben der Welle gekoppelt ist.The invention relates to an internal combustion engine with a piston, in particular a reciprocating piston, which is arranged such that it can be slid back and forth in a preferably cylindrical cavity, the piston and the cavity defining a combustion chamber and the piston being coupled to a shaft, in particular a crankshaft, for driving the shaft.
Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in den unterschiedlichsten Ausführungsformen. Die bekannten Motoren werden mit beliebigen Treibstoffen wie beispielsweise Benzin oder Diesel oder auch alternativen Treibstoffen betrieben. Die bekannten Motoren finden ihre Anwendung beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich.Internal combustion engines of the type mentioned are known from practice and exist in a wide variety of embodiments. The known engines are operated with any fuels such as gasoline or diesel or alternative fuels. The known engines are used, for example, in the motor vehicle sector.
Die Energie- bzw. Wirkarbeitsausnutzung von solchen Verbrennungsmotoren ist durch die bisher übliche technische Konstruktion begrenzt. Die limitierenden Faktoren sind dabei die konstruktiv vorgegebene Leistungs- und Drehmomentabgabe. Die Leistungsabgabe P und das Drehmoment D können ohne Berücksichtigung des brennraumabhängigen und drehzahlabhängigen Einflusses auf die chemischen Transport- und Reaktionsphänomene der Treibstoffverbrennung annähernd durch die einfachen Beziehungen zwischen den Konstruktionsparametern wie beispielsweise wirksame Hubkolbenfläche Fκ, Hublänge I, Kurbelwellendrehzahl n, Kurbelwellenexzentrizität d und mittlerer Arbeitsdruck pm beschrieben werden. Das Hubraumvolumen VH berechnet sich wie folgt: VH = Fκ I, wobei P = K, Fκ I n pm und D = K2 pm Fκ d. Insbesondere steht die Kolbengeschwindigkeit vκ mit der Kurbelwellendrehzahl n, der Kurbelwellenexzentrizität d und der Hublänge I in der folgenden Beziehung: vK max = K3 1 n d. K K2 und K3 sind geeignete Proportionalitätsfaktoren.The utilization of energy or real work of such internal combustion engines is limited by the technical construction which has been customary to date. The limiting factors are the structurally specified power and torque output. The power output P and the torque D, without taking into account the combustion chamber-dependent and speed-dependent influence on the chemical transport and reaction phenomena of fuel combustion, can be approximated by the simple relationships between the design parameters such as effective piston area F κ , stroke length I, crankshaft speed n, crankshaft eccentricity d and average working pressure p m can be described. The displacement volume V H is calculated as follows: V H = F κ I, where P = K, F κ I np m and D = K 2 p m F κ d. In particular, the piston speed v κ with the crankshaft speed n, the crankshaft eccentricity d and the stroke length I have the following relationship: v K max = K 3 1 n d. KK 2 and K 3 are suitable proportionality factors.
Die Energie- bzw. Leistungsbilanz von Hubkolbenverbrennungsmotoren gegenwärtiger moderner Konstruktionen spaltet sich im Mittel auf in 30% Motoren-Wirk- arbeitsleistungsausbeute, 10% Reibungsarbeitsleistungs- und Pumparbeitslei- stungs-Verluste, 35% Verbrennungsgas-Expansionsarbeitsleistungsverluste -
Auspuffverluste - und 25% Wärmeleistungsabfuhr durch Kühlung. Dabei gilt die einfache Anschauung, dass die Leistungsabgabe und Drehmomentabgabe durch die thermische und mechanische Belastbarkeit der Motorenkonstruktion begrenzt ist.The energy and power balance of reciprocating internal combustion engines of current modern designs is split on average into 30% engine active power yield, 10% frictional work power and pump work power losses, 35% combustion gas expansion work power losses - Exhaust losses - and 25% heat dissipation through cooling. The simple view is that the power and torque output is limited by the thermal and mechanical strength of the engine design.
Im Folgenden sind die zwei begrenzenden Hauptfaktoren dargelegt:The two main limiting factors are set out below:
a) Hierbei handelt es sich zunächst um die maximal mögliche Kühlung bzw. Wärmemengenabfuhr von den Verbrennungsraumoberflächen. Eine ungenügende Wärmeabfuhr führt zur Ermüdung und Zerstörung der Konstruktionsmaterialien und zwar vor allem an den Zylinderköpfen bzw. den Einlass- und Auslasskanal- und Ventilkonstruktionen und an der Hubkolben-Verbrennungsraumoberfläche.a) This is initially the maximum possible cooling or heat removal from the combustion chamber surfaces. Insufficient heat dissipation leads to fatigue and destruction of the construction materials, especially on the cylinder heads or the intake and exhaust port and valve constructions and on the reciprocating piston combustion chamber surface.
b) Als zweiter Hauptfaktor ist die Gleit- bzw. Schmiermittelbeständigkeit von Bedeutung. Eine zu hohe Kolbenhubgeschwindigkeit führt zum Abriss des Gleitbzw. Schmiermittelfilms zwischen den Zylinderlaufbuchsen und den Hubkolben und damit zur Zerstörung der Gleitflächen.b) The second main factor is the lubricant or lubricant resistance. If the piston stroke speed is too high, the sliding or Lubricant film between the cylinder liners and the reciprocating piston and thus to destroy the sliding surfaces.
Diese beiden Hauptbeschränkungen bisheriger Motorenkonstruktionen beschränken auch den thermodynamischen Wirkungsgrad η = (T2 - T^ / T2. Dies liegt einerseits an der kühlleistungsabhängigen und von der Wärmeverträglichkeit des Konstruktionsmaterials abhängigen maximalen Arbeitstemperatur T2 des Arbeitsmediums bzw. der Verbrennungsgasatmosphäre bei maximaler Kompression bzw. maximalem Druck der Verbrennungsgase. Andererseits liegt dies an der minimalen Arbeitstemperatur T., der Verbrennungsgasatmosphäre bei maximaler Gasexpansion im Brennraum.These two main limitations of previous engine designs also limit the thermodynamic efficiency η = (T 2 - T ^ / T 2. This is due on the one hand to the maximum working temperature T 2 of the working medium or the combustion gas atmosphere, depending on the cooling capacity and the thermal compatibility of the construction material, with maximum compression or Maximum pressure of the combustion gases On the other hand, this is due to the minimum working temperature T., the combustion gas atmosphere with maximum gas expansion in the combustion chamber.
Dabei steht der thermodynamische Wirkungsgrad η aufgrund der minimalen Arbeitstemperatur T., in umgekehrter Beziehung zur Arbeitsleistungsausbeute ΔP = Δ(pm VH) des Motors, denn eine möglichst niedrige minimale Arbeitstemperatur T^ bedingt eine möglichst große Gasarbeitsexpansion und somit eine große Kolbenhublänge, was wiederum die Drehzahl n des Motors und damit die Lei-
stungsausbeute beschränkt, um nicht die kritische maximale Kolbenhubgeschwindigkeit vκ maxzum Gleitfilmabriss zu überschreiten. Eine alternative, einfache Vergrößerung der wirksamen Hubkolbenfläche bei konstant gehaltenem Hubraumvolumen bzw. Hohlraumvolumen zur Herabsetzung der Kolbenhubgeschwindigkeit bzw. zur dann möglichen Erhöhung der Drehzahl und Steigerung der Leistungsausbeute bis zur kritischen Kolbenhubgeschwindigkeit ist nur bis zu einer gewissen Grenze möglich, da dann andere beschränkende Probleme, wie beispielsweise Baugrößeneinschränkungen des Motors, zu große bewegte Kolbenmassen bzw. zu große Beschleunigungsar- beitsleistungsverluste, Probleme der Verbrennungsraumgeometrie mit Einfluss auf die Verbrennung, zu kleine Brennraumkühloberflächen im Verhältnis zum Brennraumvolumen und andere Probleme auftreten. Bei bisherigen modernen Hubkolbenverbrennungsmotoren ist das Verhältnis zwischen Kolbenhublänge und Durchmesser der wirksamen Kolbenfläche mit dem ungefähren Verhältnis von quasi 1 :1 bereits optimiert und ausgereizt.Thereby, the thermodynamic efficiency η due to the minimum working temperature T. is inversely related to the working power yield ΔP = Δ (p m V H ) of the engine, because the lowest possible minimum working temperature T ^ requires the greatest possible gas work expansion and thus a large piston stroke length, which again the speed n of the motor and thus the power The yield is limited in order not to exceed the critical maximum piston stroke speed v κ max for the tear-off of the sliding film. An alternative, simple enlargement of the effective piston area with a constant displacement or cavity volume to reduce the piston stroke speed or to increase the speed and increase the power output up to the critical piston stroke speed is only possible up to a certain limit, since then other limiting problems, such as size restrictions of the engine, too large moving piston masses or excessive acceleration work losses, problems of the combustion chamber geometry with influence on the combustion, too small combustion chamber cooling surfaces in relation to the combustion chamber volume and other problems occur. In previous modern reciprocating piston internal combustion engines, the ratio between the piston stroke length and the diameter of the effective piston area has already been optimized and exhausted with the approximate ratio of almost 1: 1.
Als entfernter Stand der Technik sind Hubkolben-Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Arbeitshubkolben in beweglichen Hülsen laufen, die als Steuerschieber bei Einlass- und Auslassschlitzen zum Einlass von Treibstoffgasgemisch und zum Auslass von Verbrennungsgasen dienen. Die zwei bekanntesten Konstruktionen von Charles Y. Knight oder Peter Burt zusammen mit James MC.Collum bestehen dabei aus zwei gegeneinander und ineinander laufenden zylindrischen Hülsen, die mit der halben Kurbelwellendrehzahl über eine separate Exzenterwelle angetrieben geradlinig auf- und abschwingen und Schwingschieber bzw. Rohrschieber genannt werden. Im Falle von Burt und MC.Collum besteht die Konstruktion insbesondere aus einer einzigen zylindrischen Hülse, die eine kombinierte Hub- und Drehbewegung ausführt und von einer senkrecht zur Hubbewegung ausgerichteten Exzenterwelle direkt angetrieben ist. Aufgrund der Bedingung, dass für diese Konstruktionen die halbe Kurbelwellendrehzahl zum Antrieb nötig ist, können die bewegten Hülsen nicht direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden.Reciprocating internal combustion engines are known as the distant prior art, in which the working reciprocating pistons run in movable sleeves which serve as control slides in inlet and outlet slots for the inlet of a fuel gas mixture and for the outlet of combustion gases. The two best-known constructions by Charles Y. Knight or Peter Burt together with James MC.Collum consist of two cylindrical sleeves running against each other and one inside the other, which swing up and down in a straight line at half the crankshaft speed, driven by a separate eccentric shaft become. In the case of Burt and MC.Collum, the design consists in particular of a single cylindrical sleeve that performs a combined lifting and rotating movement and is directly driven by an eccentric shaft oriented perpendicular to the lifting movement. Due to the condition that half of the crankshaft speed is required to drive these designs, the moving sleeves cannot be driven directly by the crankshaft.
Beiden Konstruktionen ist gemeinsam, dass die Steuerwirkung nur durch zwei
separate überlagerte Bewegungen, also z. B. durch die gegenläufige Einzelbewegung jedes „Knight-Schwingschiebers" oder durch die überlagerte Hub- und Drehbewegung des Drehschiebers von Burt und MC.Collum, erreicht werden kann. Diese bekannten Konstruktionen von bewegten Hülsen, in denen sich der Arbeitskolben bewegt, dienen ausschließlich der Motorsteuerung und nicht der Erhöhung der maximal möglichen Kolbenhubgeschwindigkeit. Ihre Funktionsweise reduziert sogar die maximal mögliche Kolbenhubgeschwindigkeit, da die Hülsenbewegung zeitweise sogar der Hubkolbenbewegung entgegengerichtet ist und nicht mit ihr in Phase verläuft.Both constructions have in common that the control effect only by two separate superimposed movements, e.g. B. can be achieved by the opposite individual movement of each "Knight swing valve" or by the superimposed lifting and rotating movement of the rotary valve from Burt and MC.Collum. These known constructions of moving sleeves, in which the working piston moves, are used exclusively for Engine control and not increasing the maximum possible piston stroke speed, their mode of operation even reduces the maximum possible piston stroke speed, since the sleeve movement is sometimes even opposite to the reciprocating piston movement and does not run in phase with it.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Arbeitsleistung und Drehmomentabgabe erhöht sind.The present invention is therefore based on the object of specifying an internal combustion engine of the type mentioned at the outset in which the work output and torque output are increased.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist der Verbrennungsmotor derart ausgestaltet, dass zwischen dem Kolben und der Innenwandung des Hohlraums mindestens eine in dem Hohlraum hin- und herschieb- bare Büchse angeordnet ist und dass die Büchse oder die Büchsen derart mit der Welle gekoppelt ist oder sind, dass die Büchse oder die Büchsen durch die Welle mit einer Maximalgeschwindigkeit relativ zum Hohlraum angetrieben ist oder sind, die geringer ist als die Maximalgeschwindigkeit des Kolbens relativ zum Hohlraum, und dass sich die Büchse oder die Büchsen und der Kolben im Wesentlichen in Phase bewegen.According to the invention, the above object is achieved by an internal combustion engine having the features of patent claim 1. According to this, the internal combustion engine is designed in such a way that at least one sleeve which can be pushed back and forth in the cavity is arranged between the piston and the inner wall of the cavity and that the sleeve or sleeves is or are coupled to the shaft such that the sleeve or the sleeves are driven by the shaft at a maximum speed relative to the cavity which is less than the maximum speed of the piston relative to the cavity, and that the sleeve or the sleeves and the piston move substantially in phase.
In erfindungsgemäßer Weise ist hier ein neues Arbeitsprinzip eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, das die obige Aufgabe auf überraschend einfache Weise löst. Dabei wird der Kolben nicht wie bisher üblich in zum Motorblock hin festen Laufbüchsen geführt. Vielmehr ist der Kolben in einer bewegten Büchse geführt, um die bisher maximal zulässige Kolbenhubgeschwindigkeit bzw. die zulässige Kolbenhublänge und folglich den thermodynamischen Wirkungsgrad wesentlich zu steigern. Die bewegte Büchse bzw. die bewegten Büchsen werden in dem Hohlraum geführt. Dabei ist wesentlich, dass die Büchse oder die Buch-
sen derart mit der Welle gekoppelt ist oder sind, dass die Büchse oder die Büchsen durch die Welle mit einer maximalen Geschwindigkeit relativ zum Hohlraum angetrieben ist oder sind, die geringer ist als die Maximalgeschwindigkeit des Kolbens relativ zum Hohlraum. Hierdurch lässt sich die Geschwindigkeit des Kolbens relativ zum Hohlraum gegenüber bekannten Konstruktion steigern, ohne dass Schmierungsdefizite auftreten können. Sämtliche relativ zueinander bewegten Teile bewegen sich mit einer Maximalgeschwindigkeit zueinander, die unterhalb einer Geschwindigkeit liegt, bei welcher Schmierungsprobleme auftreten können. Die Kolbengeschwindigkeit wird mittels der Büchse oder der Büchsen quasi auf eine höhere Geschwindigkeit als üblich transformiert. Um keine übermäßigen Relativgeschwindigkeiten der bewegten Teile zueinander zu erzeugen, bewegen sich die Büchse oder die Büchsen und der Kolben im Wesentlichen in Phase zueinander.In a manner according to the invention, a new working principle of an internal combustion engine is provided here, which solves the above object in a surprisingly simple manner. In this case, the piston is not guided in liners which are fixed towards the engine block, as was customary hitherto. Rather, the piston is guided in a moving sleeve in order to significantly increase the maximum permitted piston stroke speed or the permitted piston stroke length and consequently the thermodynamic efficiency. The moving sleeve or sleeves are guided in the cavity. It is essential that the rifle or the sen is or are coupled to the shaft such that the sleeve or sleeves are driven by the shaft at a maximum speed relative to the cavity that is less than the maximum speed of the piston relative to the cavity. As a result, the speed of the piston relative to the cavity can be increased compared to known designs without lubrication deficits occurring. All parts moving relative to one another move at a maximum speed that is below a speed at which lubrication problems can occur. The piston speed is quasi transformed to a higher speed than usual by means of the sleeve or the sleeves. In order not to produce excessive relative speeds of the moving parts to one another, the sleeve or the sleeves and the piston move essentially in phase with one another.
Durch diese spezielle Konstruktion ist ein Verbrennungsmotor und ganz allgemein eine Wärmekraftmaschine bereitgestellt, bei der das bisher erreichbare Lei- stungs- und Drehmomentabgabemaß gesteigert ist oder alternativ ein wesentlich geringerer Treibstoffverbrauch bei einem Leistungs- und Drehmoment-abgabe- maß von bisher üblichen Motorenkonstruktionen erreicht ist. Der Grund hierfür ist ein wesentlich gesteigerter thermodynamischer Wirkungsgrad. Genauer gesagt ist die maximale Arbeitstemperatur T2 erhöht und die minimale Arbeitstemperatur TA, des Motors abgesenkt. Hierdurch ist der thermodynamische Wirkungsgrad wesentlich gesteigert.This special design provides an internal combustion engine and, quite generally, a heat engine, in which the power and torque output dimension that has been achievable to date has been increased or, alternatively, a significantly lower fuel consumption has been achieved with a power and torque output dimension than previously customary engine designs. The reason for this is a significantly increased thermodynamic efficiency. More specifically, the maximum working temperature T 2 is increased and the minimum working temperature TA , of the engine is lowered. As a result, the thermodynamic efficiency is significantly increased.
Bei der hiesigen Erfindung kann sich der Kolben in einer Büchse mit der maximal möglichen Kolbenhubgeschwindigkeit vK max bewegen. Die Büchse bzw. Schleppbüchse selbst kann wiederum im Hohlraum bzw. Zylinderblock mit der maximal zulässigen Laufgeschwindigkeit bewegt werden. Der Kolben gleitet also in der Büchse, die wiederum im Motorblockzylinder gleitet. Wenn für die Büchse und den Kolben die gleiche maximale Bewegungsgeschwindigkeit zulässig ist und die Büchse und der Kolben in ihrer Bewegung im Wesentlichen gleichgerichtet sind bzw. in Phase sind, kann dadurch der Kolben im theoretischen Grenzfall ohne Zerstörung mit der doppelten Kolbengeschwindigkeit vκ max wie bei bisherigen
Motorenkonstruktionen laufen. Der Kolben, die Büchse und der Hohlraum bilden quasi Teleskopsegmente, die nach dem Teleskopprinzip ineinandergleiten bzw. ausgezogen und eingeschoben werden können.In the present invention, the piston can move in a sleeve with the maximum possible piston stroke speed v K max . The sleeve or drag sleeve itself can in turn be moved in the cavity or cylinder block with the maximum permissible running speed. The piston thus slides in the sleeve, which in turn slides in the engine block cylinder. If the same maximum movement speed is permissible for the sleeve and the piston and the sleeve and the piston are essentially aligned or in phase in their movement, the piston can in the theoretical limit case without destruction with twice the piston speed v κ max as in previous Engine designs are running. The piston, the sleeve and the cavity form quasi telescope segments that can slide into one another or be pulled out and pushed in according to the telescope principle.
Dadurch kann die Kolbenhublänge I bei den bisher üblichen und möglichen Motorendrehzahlen im Grenzfall verdoppelt werden und kann die zusätzliche Gasarbeitsexpansion auf den halben mittleren Arbeitsenddruck bisher üblicher Motorenkonstruktionen reduziert werden, was mit einer sich wesentlich niedriger einstellenden minimalen Arbeitstemperatur T. korreliert. Bei doppeltem Volumen liegt quasi der halbe Druck vor.As a result, the piston stroke length I can be doubled at the previously customary and possible engine speeds in the limit case and the additional gas work expansion can be reduced to half the average working end pressure of previously customary engine designs, which correlates with a significantly lower minimum working temperature T. With twice the volume, there is almost half the pressure.
Dies führt in der obigen Formelbeschreibung für die Leistungs- und Drehmomentausbeute bei konstant gehaltener Drehzahl zu einem Anstieg der Kolbenhublängen I auf 200% und zu einem Abfall des mittleren Arbeitsdrucks pm auf 75% und somit zu einer Steigerung der Leistungsausbeute P auf 150%. Die Verdopplung der Kolbenhublänge wird konstruktiv durch eine Verdopplung der Kurbelwellenexzentrizität d erreicht, wodurch die Drehmomentausbeute D um 100% auf 200% gesteigert wird.In the above formula description, this leads to an increase in the piston stroke lengths I to 200% and a decrease in the mean working pressure p m to 75% and thus to an increase in the power yield P to 150% for the power and torque yield at a constant rotational speed. The doubling of the piston stroke length is achieved constructively by doubling the crankshaft eccentricity d, as a result of which the torque yield D is increased by 100% to 200%.
Die Steigerung der Motorleistung geht sogar mit einer Verringerung der thermischen Belastung des Motors einher, da die Verweilzeit der Verbrennungsgase bei konstant gehaltener Drehzahl im Expansionsarbeitstakt des Motors ungeän- dert bleibt, aber die mittlere Temperatur der Verbrennungsgasatmosphäre und damit der Temperaturgradient für den Wärmeübertrag auf die Verbrennungsraumoberfläche wegen der größeren geleisteten Wirkarbeit gesunken ist und die Vergrößerung der Verbrennungsraumoberfläche wegen der konstanten Hubkolbenoberfläche und Zylinderkopffläche bzw. Hohlraumendfläche sich nicht verdoppelt hat, sondern vielmehr unterproportional mit der Vergrößerung des Kolbenhubs wächst.The increase in engine performance is even accompanied by a reduction in the thermal load on the engine, since the dwell time of the combustion gases remains unchanged in the expansion work cycle of the engine at a constant rotational speed, but the mean temperature of the combustion gas atmosphere and thus the temperature gradient for heat transfer to the combustion chamber surface because of the greater real work done and the increase in the combustion chamber surface due to the constant piston surface and cylinder head surface or cavity end surface has not doubled, but rather grows disproportionately with the increase in the piston stroke.
Die erhöhte Leistungsausbeute resultiert ausschließlich aus der Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads durch die Absenkung der minimalen Arbeitstemperatur T, wegen der konstruktiv ermöglichten vergrößerten Verbren-
nungsgas-Arbeitsexpansion.The increased power yield results exclusively from the increase in the thermodynamic efficiency through the lowering of the minimum working temperature T, because of the constructionally enabled increased combustion voltage gas-work expansion.
Im Konkreten könnten mehrere Büchsen und der Kolben teleskopartig in dem Hohlraum bewegbar sein. Hierdurch ist eine besonders kontrollierte und effiziente Erhöhung der maximalen Kolbengeschwindigkeit realisiert. In jedem Fall ist in dem Hohlraum die Büchse bzw. die äußerste Büchse geführt.Specifically, several bushings and the piston could be moved telescopically in the cavity. This enables a particularly controlled and efficient increase in the maximum piston speed. In any case, the sleeve or the outermost sleeve is guided in the cavity.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Büchse oder die dem Kolben nächstlie- gende Büchse derart dimensioniert, dass sich der Kolben während seiner gesamten Hin- und Herbewegung innerhalb der Büchse oder der dem Kolben nächstliegenden Büchse befindet. Hierdurch ist ein besonders sicherer Betrieb des Motors erreicht.In a particularly advantageous manner, the bushing or the bushing closest to the piston is dimensioned such that the piston is located within the bushing or the bushing closest to the piston during its entire back and forth movement. This ensures particularly safe operation of the engine.
Im Konkreten könnte die Innenwandung des Hohlraums durch eine Gleitbüchse gebildet sein, die in einen Motorblock eingesetzt ist oder in dem Motorblock integral ausgebildet ist. Hierdurch ist eine besonders sichere Lagerung der Büchse bzw. der äußersten Büchse realisiert.Specifically, the inner wall of the cavity could be formed by a sliding bush which is inserted into an engine block or is integrally formed in the engine block. This results in a particularly secure mounting of the rifle or the outermost rifle.
Die Büchse oder die Büchsen und/oder die Gleitbüchse könnten aus Metall, vorzugsweise einem Grauguss-Material, einer Stahlaluminiumlegierung - z.B. Duraluminium - oder Titan, oder einem Oxidkeramikmaterial hergestellt sein. Die Büchse oder die Büchsen könnte oder könnten eine nur wenige Millimeter starke, gerade ausreichend verbrennungsdruckstabile Wandung, beispielsweise Zylinderwandung, aufweisen, um Trägheitskräfte bzw. die notwendigen Massenbeschleunigungen gering zu halten. Hierbei sind leichte aber ausreichend feste Materialien wie z.B. Duraluminium oder Titan günstig. Alternativ könnte ein Grauguss-Material für die Gleitbüchse und die Büchse bzw. Büchsen verwendet werden, wobei hier keine Dichtungsringe - Kolbenringe oder Ölabstreifringe - zwischen den beiden Bauteilen erforderlich sind, da ein gleiches Wämeausdeh- nungsverhalten vorliegt.The sleeve or sleeves and / or the sliding sleeve could be made of metal, preferably a gray cast iron material, a steel-aluminum alloy - e.g. Duralumin - or titanium, or an oxide ceramic material. The sleeve or the sleeves could have a wall that is only a few millimeters thick and just sufficiently stable under combustion pressure, for example a cylinder wall, in order to keep inertial forces or the necessary mass accelerations low. Here are light but sufficiently strong materials such as Cheap duralumin or titanium. Alternatively, a gray cast iron material could be used for the slide bush and the bush or bushes, whereby no sealing rings - piston rings or oil wiper rings - are required between the two components, since the thermal expansion behavior is the same.
Die Büchse oder die Büchsen und/oder die Gleitbüchse könnten eine Oberflä- chenbeschichtung aufweisen, die beispielsweise aus einem Metalloxid, einem
Metallkarbid, aus Reinkohlenstoff - Diamant - oder Chrom bestehen könnte. Hierbei ist auf den jeweiligen Anwendungsfall und auf das jeweilige Erfordernis an Abriebfestigkeit abzustellen. Insbesondere für die Gleitbüchse bzw. Schlepp- büchsenführungsbüchse wäre im Zusammenhang mit Hochtemperatur-Motorenkonstruktionen die Verwendung von wärmeleitarmen und hochtemperaturfesten Oxidkeramiken vorteilhaft und denkbar.The sleeve or the sleeves and / or the sliding sleeve could have a surface coating which, for example, consists of a metal oxide, a Metal carbide, could consist of pure carbon - diamond - or chrome. This is based on the respective application and the respective requirement for abrasion resistance. The use of low-heat and high-temperature-resistant oxide ceramics would be advantageous and conceivable in particular for the sliding bush or drag bush guide bushing in connection with high-temperature motor designs.
Im Hinblick auf eine verbesserte Ölgleitschmierung könnten zwischen der Büchse oder der der Gleitbüchse nächstliegenden Büchse und der Gleitbüchse Dichtungs- und Führungsringe, vorzugsweise Kolbenringe oder Ölabstreifringe, vorgesehen sein. Derartige Dichtungs- oder Führungsringe könnten auch zwischen der Büchse oder der dem Kolben nächstliegenden Büchse und dem Kolben sowie alternativ oder zusätzlich hierzu zwischen den Büchsen vorgesehen sein. Die Dichtungs- oder Führungsringe könnten in vorzugsweise radialen Innennuten der Gleitbüchse oder in Außennuten der Büchse oder der der Gleitbüchse nächstliegenden Büchse und/oder in Innen- oder Außennuten der Büchsen und/oder in Innennuten der Büchse oder der dem Kolben nächstliegenden Büchse oder in Außennuten des Kolbens angeordnet sein.With a view to improved oil sliding lubrication, sealing and guide rings, preferably piston rings or oil scraper rings, could be provided between the sleeve or the sleeve closest to the sliding sleeve and the sliding sleeve. Such sealing or guide rings could also be provided between the bushing or the bushing closest to the piston and the piston, or alternatively or additionally, between the bushings. The sealing or guide rings could be in preferably radial inner grooves of the slide bush or in outer grooves of the bush or the bush closest to the slide bush and / or in inner or outer grooves of the bushes and / or in inner grooves of the bush or the bush closest to the piston or in outer grooves of the Be arranged piston.
Die Büchse oder die Büchsen könnten jeweils einen Führungszapfen mit einer Achse aufweisen. Dabei könnte der Führungszapfen jeweils am unteren Innenrand der Büchse oder der Büchsen angeordnet sein. Die Achse könnte parallel zu einer Kolbenbolzenachse angeordnet sein. Hierbei könnte an dem oder jedem Führungszapfen eine vorzugsweise wälzgelagerte Büchsen-Pleuelstange mit ihrem einen Ende angeordnet sein. Mit ihrem anderen Ende könnte die Büchsen- Pleuelstange mit einem Exzenterelement der Welle gekoppelt sein.The sleeve or the sleeves could each have a guide pin with an axis. The guide pin could each be arranged on the lower inner edge of the sleeve or the sleeves. The axis could be arranged parallel to a piston pin axis. Here, a preferably roller-bearing bush connecting rod could be arranged with one end on the or each guide pin. At its other end, the bushing connecting rod could be coupled to an eccentric element of the shaft.
Mit anderen Worten kann der Kolben mit einem Kolbenbolzen und einem Kolbenbolzen-Wälzlager ausgeführt sein und mit dem Exzenterzapfen der Kurbelwelle mittels einer ebenfalls wälzgelagerten Pleuelstange verbunden sein. Eine zylindrisch ausgeführte Büchse könnte am unteren Innenrand über einen Führungszapfen verfügen, dessen Zapfenachse parallel bzw. koaxial zur Kolbenbolzenachse ausgerichtet ist. Auf diesem Büchsenzapfen sitzt eine gegebenenfalls
wälzgelagerte Büchsen-Pleuelstange. Die Büchsen-Pleuelstange ist am büchsenfernen Ende gegebenenfalls auch wälzgelagert und sitzt auf einem Exzenterelement der Welle.In other words, the piston can be designed with a piston pin and a piston pin roller bearing and can be connected to the eccentric pin of the crankshaft by means of a connecting rod which is also roller-mounted. A cylindrical bushing could have a guide pin on the lower inner edge, the pin axis of which is aligned parallel or coaxially to the piston pin axis. One may sit on this bush pin roller bearing connecting rod. The bushing connecting rod may also have a roller bearing at the end remote from the bushing and is seated on an eccentric element of the shaft.
Dieses Exzenterelement, das bei einem Nichtreihenmotor, beispielsweise einem Einzylindermotor oder Sternmotor, auch ein einfacher Exzenterzapfen sein könnte, ist vorzugsweise gekröpft bzw. doppelt oder mehrfach geknickt, so dass es zumindest zwei koplanar geführte Pleuelstangen, die Büchsen-Pleuelstange und eine Kolben-Pleuelstange, mit unterschiedlicher Exzentrizität und gegebenenfalls unterschiedlicher Drehwinkellage führen kann bzw. aneinander vorbeiführen kann. Die Welle trägt also zwischen je zwei Wellenlagern - beispielsweise bei Reihenmotoren für je eine Zylindereinheit - zwei Pleuelstangen auf einem gekröpften Exzenterelement der Welle.This eccentric element, which could also be a simple eccentric pin in the case of a non-in-line engine, for example a single-cylinder engine or radial engine, is preferably cranked or bent twice or several times, so that it has at least two coplanar-guided connecting rods, the bushing connecting rod and a piston connecting rod, can lead with different eccentricity and possibly different angle of rotation or can lead past each other. The shaft therefore carries two connecting rods on a cranked eccentric element of the shaft between two shaft bearings, for example, for in-line engines for one cylinder unit each.
Auf dem Exzenterelementabschnitt mit der kleineren Exzentrizität sitzt die Büchsen-Pleuelstange. Auf dem anderen Exzenterelementabschnitt mit der größeren Exzentrizität sitzt die Kolben-Pleuelstange. Genauer gesagt weist jeder einer Büchse zugeordneter Büchsen-Exzenterelementabschnitt eine kleinere Exzentrizität auf als ein dem Kolben zugeordneter Kolben-Exzenterelementabschnitt. Im Konkreten könnte der Kolben-Exzenterelementabschnitt die doppelte Exzentrizität wie der Büchsen-Exzenterelementabschnitt der dem Kolben nächstliegenden Büchse aufweisen.The bushing connecting rod sits on the eccentric element section with the smaller eccentricity. The piston connecting rod sits on the other eccentric element section with the greater eccentricity. More specifically, each sleeve eccentric element section assigned to a sleeve has a smaller eccentricity than a piston eccentric element section assigned to the piston. In concrete terms, the piston eccentric element section could have twice the eccentricity as the sleeve eccentric element section of the sleeve closest to the piston.
Bei Realisierung mehrerer Büchsen könnten die Büchsen-Exzenterelementabschnitte der Büchsen vom Kolben aus gesehen jeweils eine immer kleinere Exzentrizität zur Innenwandung des Hohlraums hin aufweisen. Ein Büchsen-Exzenterelementabschnitt einer weiter innen liegenden Büchse weist daher eine größere Exzentrizität auf als ein Büchsen-Exzenterelementabschnitt einer weiter außen liegenden Büchse.When realizing several bushes, the bush eccentric element sections of the bushes could each have an ever smaller eccentricity towards the inner wall of the cavity, as seen from the piston. A sleeve eccentric element section of a sleeve located further inside therefore has a greater eccentricity than a sleeve eccentric element section of a sleeve located further outside.
Durch die unterschiedliche Exzentrizität und Drehwinkellage der beiden gegeneinander gekröpften Exzenterelementabschnitte der Welle wird die Relativbewegung der Büchse bzw. Büchsen zum Kolben bestimmt. Hierbei könnten der
Büchsen-Exzenterelementabschnitt oder die Büchsen-Exzenterelementabschnitte und der Kolben-Exzenterelementabschnitt dieselbe Drehwinkellage aufweisen. Dies hat sich in der Praxis in Kombination mit der doppelten Exzentrizität für den Kolben-Exzenterelementabschnitt im Vergleich zum Büchsen-Exzenterelementabschnitt als günstigste Kombination erwiesen. Dabei wird der Kolben im Mittel mit der doppelten absoluten Geschwindigkeit der Büchse geführt, während die Büchse gegen die Gleitbüchse bzw. gegen den Hohlraum die gleiche Relativgeschwindigkeit aufweist wie der Kolben gegen die Büchse.The relative movement of the sleeve or sleeves relative to the piston is determined by the different eccentricity and angular position of the two eccentric element sections of the shaft cranked against one another. Here, the The sleeve eccentric element section or the sleeve eccentric element sections and the piston eccentric element section have the same angle of rotation position. In practice, this has proven to be the most favorable combination in combination with the double eccentricity for the piston eccentric element section in comparison with the sleeve eccentric element section. The piston is guided on average at twice the absolute speed of the sleeve, while the sleeve against the sliding sleeve or against the cavity has the same relative speed as the piston against the sleeve.
Die Büchsen-Pleuelstange könnte azentrisch in jeder Büchse gelagert sein. Die Kolben-Pleuelstange könnte mittig bzw. zentriert im Kolben gelagert sein oder auch azentrisch, wobei hier auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen ist. Ist die Büchsen-Pleuelstange azentrisch gelagert und ist die Kolben-Pleuelstange zentrisch im Kolben gelagert, können sich beide Pleuelstangen auf ihren koplan- aren Bewegungsbahnen sicher aneinander vorbeibewegen. Jedoch ist auch eine Ausführung der Erfindung mit zwei zum Kolben bzw. zur Büchse azentrisch angeordneten Pleuelstangen denkbar.The bushing connecting rod could be mounted eccentrically in each bushing. The piston connecting rod could be centered or centered in the piston or it could be eccentric, depending on the particular application. If the bushing connecting rod is mounted eccentrically and the piston connecting rod is mounted centrally in the piston, both connecting rods can safely move past each other on their coplanar trajectories. However, an embodiment of the invention is also conceivable with two connecting rods arranged eccentrically to the piston or the sleeve.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung des Verbrennungsmotors könnten in der Wandung des Hohlraums mindestens ein Einlass- und/oder mindestens ein Auslass-Durchgang ausgebildet sein, so dass die Büchse oder die Büchsen als Ventilelement für den Durchgang oder die Durchgänge nutzbar ist oder sind. Im Konkreten kann die bewegte Büchse oder können die bewegten Büchsen zusätzlich als vorzugsweise zylindrischer Ventilschieber bzw. Rohrschwingschieber für den Frischlufteinlass und den Verbrennungsgasauslass über Durchgänge - beispielsweise Schlitze oder Ringspalte - genutzt werden. Dadurch kann bei der Erfindung auf die Verwendung von üblichen Zylinderkopfkonstruktionen mit den bisher üblichen komplizierten Einlass- und Auslass-Ventil- konstruktionen und mit dem gesamten anhängigen Ventiltrieb wie Nockenwellen, Nockenwellenlagerungen und Nockenwellenantrieben bzw. Nockenwellengetrieben - Stirnradgetriebe - verzichtet werden. Die beispielsweise zur Anwendung kommenden Ringspalte gewährleisten einen glatten und strömungsgünstigen Gasdurchfluss und folglich gute Gasgemisch-Füllungsgrade im Gegensatz zu
heute üblichen Ventilringspalten mit ausgeprägten Winkeln und Ecken.With regard to a particularly simple embodiment of the internal combustion engine, at least one inlet and / or at least one outlet passage could be formed in the wall of the cavity, so that the sleeve or the sleeves can be used as a valve element for the passage or passages. Specifically, the moving bushing or the moving bushings can additionally be used as a preferably cylindrical valve slide or tubular swing slide for the fresh air inlet and the combustion gas outlet via passages - for example slots or annular gaps. As a result, the use of conventional cylinder head constructions with the previously complicated inlet and exhaust valve constructions and with the entire pending valve train such as camshafts, camshaft bearings and camshaft drives or camshaft drives - spur gearboxes - can be dispensed with in the invention. The annular gaps that are used, for example, ensure a smooth and streamlined gas flow and consequently good gas mixture filling levels in contrast to valve ring gaps common today with pronounced angles and corners.
Dabei kann der Durchgang oder können die Durchgänge im Konkreten im Bereich der Gleitfläche der Büchse oder der Büchsen oder in der Gleitbüchse ausgebildet sein. Genauer gesagt könnten die Durchgänge seitlich im Motorblockkopf in der Gleitbüchse bzw. Schleppbüchsenführungsbüchse einmünden und nicht wie bisher üblich im Motorblockkopfende bzw. im bisher üblichen Zylinderkopf.The passage or the passages can be formed in the concrete in the area of the sliding surface of the sleeve or the sleeves or in the sliding sleeve. More specifically, the passages could open laterally in the engine block head in the slide bush or drag bush guide bush and not, as was previously the case, in the engine block head end or in the previously common cylinder head.
Die Einlass- und Auslass-Durchgänge können - bei jeweils mehreren Durchgängen für Einlass und Auslass - getrennt in der jeweils gleichen Zylinderkreisschnittebene bezüglich eines kreiszylinderförmigen Hohlraums oder einer kreis- zylinderförmigen Gleitbüchse ausgebildet sein.The inlet and outlet passages can - in the case of several passages for inlet and outlet in each case - be formed separately in the same cylinder circular section plane with respect to a circular-cylindrical cavity or a circular-cylindrical sliding bush.
Im Konkreten könnten der Auslass-Durchgang oder die Auslass-Durchgänge im Wesentlichen an einem Ende des Hohlraums und der Einlass-Durchgang oder die Einlass-Durchgänge im Wesentlichen am anderen Ende des Hohlraums ausgebildet sein. Dabei könnte der Auslass-Durchgang oder könnten die Auslass- Durchgänge zur Welle hin kurz über der Kolben-Brennraumoberfläche bei unterer Kolben-Totpunktlage und der Einlass-Durchgang oder die Einlass-Durchgänge zum Zylinderkopfende hin auf etwa halber Länge der Gleitbüchsen-Führungsbahn liegen. Einlass-Durchgänge und Auslass-Durchgänge können also günstigerweise weit auseinandergelegt werden, was die hohe thermische Wechselbelastung der Einlass-Durchgang- und Auslass-Durchgang-Trennwände bei herkömmlichen Zylinderkopfkonstruktionen vermeidet.Specifically, the outlet passage or outlet passages could be formed substantially at one end of the cavity and the inlet passage or inlet passages essentially at the other end of the cavity. The exhaust passage or the exhaust passages to the shaft could be just above the piston combustion chamber surface at the bottom of the piston dead center, and the intake passage or the intake passages to the cylinder head end could be approximately half the length of the slide bushing guideway. Intake passages and exhaust passages can therefore be conveniently separated widely, which avoids the high thermal alternating loading of the intake passage and exhaust passage partitions in conventional cylinder head designs.
Zur optimalen Funktion des Verbrennungsmotors weisen auch die Büchse oder die Büchsen jeweils mindestens einen Auslass-Durchgang auf.For optimal functioning of the internal combustion engine, the bushing or the bushings also each have at least one outlet passage.
Im Konkreten könnten der Durchgang oder die Durchgänge als Schlitz oder Schlitze oder als Ringspalt oder Ringspalte ausgebildet sein.In concrete terms, the passage or passages could be designed as a slot or slots or as an annular gap or annular gaps.
In einer thermisch besonders günstigen Ausgestaltung könnte der Brennraum im
kolbenfernen Bereich geschlossen sein. Dabei kann der Verbrennungsmotor sogar ohne separaten Zylinderkopf mit einem den Brennraum oben vollständig abschließenden Zylinderblock aus hoch warmfestem Material wie beispielsweise Grauguss realisiert werden. Dies hat wiederum wesentlichen Einfluss auf die Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads, da jetzt die bisher üblichen sehr temperaturempflindlichen bzw. wenig warmfesten Zylinderkopfkonstruktionen vermieden werden können. Deshalb können in der Folge wesentlich höhere maximale Verbrennungstemperaturen T2 angewendet werden, um den thermodynamischen Wirkungsgrad weiter wesentlich zu steigern.In a thermally particularly favorable embodiment, the combustion chamber could be in the area away from the piston. The internal combustion engine can even be realized without a separate cylinder head with a cylinder block made of highly heat-resistant material, such as gray cast iron, which completely closes off the combustion chamber at the top. This in turn has a significant influence on the increase in the thermodynamic efficiency, since now the previously very temperature-sensitive or less heat-resistant cylinder head designs can be avoided. Therefore, significantly higher maximum combustion temperatures T 2 can subsequently be used in order to further increase the thermodynamic efficiency.
Die naturgemäß höhere Masse von beispielsweise hoch warmfestem Grauguss fällt bei der Motorenkonstruktion nicht ins Gewicht, da auf der anderen Seite die gesamte bisher übliche komplizierte Zylinderkopfkonstruktion mit dem dazugehörigen kurbelwellenseitigen Ventilantrieb vermieden werden kann. Daneben stellen sich natürlich auch noch wesentliche wirtschaftliche Vorteile bei der Produktion wie beispielsweise eine wesentlich kostengünstigere Produktion von Motoren aus wesentlich weniger Bauteilen ein.The naturally higher mass of, for example, highly heat-resistant gray cast iron is not important for the engine design, since on the other hand, the entire complicated cylinder head construction previously used, with the associated valve drive on the crankshaft side, can be avoided. In addition, of course, there are also significant economic advantages in production, such as a much more cost-effective production of engines from significantly fewer components.
Da das Zylinderkopfende nunmehr keinerlei temperaturkritischen Bauteile um- fasst, kann eine weitaus höhere Brennraumtemperatur gerade im hier liegenden heißesten Bereich des Brennraums zugelassen werden. Die Temperatur der Zylinderkopfenden darf gegebenenfalls sogar bis an die Grenze der Warmfestigkeit des Zylinderkopfmaterials gebracht werden, da die Erfindung wegen der fehlenden heißen Auslassventile herkömmlicher Zylinderkopfkonstruktionen und wegen der Möglichkeit einer zentral platzierbaren Zündkerze hoch klopffest ist. Dies kann zu einer wesentlichen Erhöhung der Brennraumtemperatur T2 genutzt werden und dadurch zu einer wesentlichen Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads.Since the cylinder head end now does not include any temperature-critical components, a much higher combustion chamber temperature can be permitted, especially in the hottest area of the combustion chamber. The temperature of the cylinder head ends may even be brought to the limit of the heat resistance of the cylinder head material, since the invention is highly knock-resistant due to the lack of hot exhaust valves of conventional cylinder head designs and the possibility of a centrally placed spark plug. This can be used for a substantial increase in the combustion chamber temperature T 2 and thereby for a substantial increase in the thermal efficiency.
Im Hinblick auf eine besonders zuverlässige Zufuhr von Frischluft in den Hohlraum könnte eine Fördereinrichtung zur Frischluftzufuhr vorgesehen sein. Eine derartige Fördereinrichtung könnte ein Kompressoraggregat des Motors sein, beispielsweise ein Rootslader, Spirallader, Drehkolbenlader, Schraubenlader
oder mechanischer Kreisellader. Dabei könnte Frischluft in den Brennraum gedrückt werden, was zu einer weiteren Ausspülung der Verbrennungsrestgase durch die noch offenen Auslass-Durchgänge in einen Auslasskanal und zu einer zusätzlichen Kühlung der inneren Brennraumoberflächen durch den durchgeleiteten Frisch luftstrom führen könnte.With regard to a particularly reliable supply of fresh air into the cavity, a conveying device for supplying fresh air could be provided. Such a conveyor could be a compressor unit of the engine, for example a roots loader, spiral loader, rotary piston loader, screw loader or mechanical rotary loader. Fresh air could be pressed into the combustion chamber, which could lead to a further flushing out of the residual combustion gases through the still open outlet passages into an outlet duct and to additional cooling of the inner combustion chamber surfaces by the fresh air flow being passed through.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzigeThere are now various possibilities for advantageously designing and developing the teaching of the present invention. For this purpose, reference is made to the subordinate claims, on the one hand, and to the following explanation of a preferred exemplary embodiment of the internal combustion engine according to the invention with reference to the drawing. In connection with the explanation of the preferred embodiment with reference to the drawing, generally preferred configurations and developments of the teaching are also explained. In the drawing shows the only one
Fig. in einer schematischen Darstellung das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.Fig. In a schematic representation, the embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
Die einzige Fig. zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem in einem zylinderför- migen Hohlraum 1 hin- und herschiebbar angeordneten Kolben 2. Der Kolben 2 und der Hohlraum 1 definieren einen Brennraum 3. Der Kolben 2 ist mit einer Welle 4 zum Antreiben der Welle 4 gekoppelt. Zwischen dem Kolben 2 und der Innenwandung des Hohlraums 1 ist eine in dem Hohlraum 1 hin- und herschieb- bare Büchse 5 angeordnet. Die Büchse 5 ist derart mit der Welle 4 gekoppelt, dass die Büchse 5 durch die Welle 4 mit einer Maximalgeschwindigkeit relativ zum Hohlraum 1 angetrieben ist, die geringer ist als die Maximalgeschwindigkeit des Kolbens 2 relativ zum Hohlraum 1. Dabei bewegen sich die Büchse 5 und der Kolben 2 im Wesentlichen in Phase.The only FIG. 1 shows an internal combustion engine with a piston 2, which is arranged so that it can be pushed back and forth in a cylindrical cavity 1. The piston 2 and the cavity 1 define a combustion chamber 3. The piston 2 is coupled to a shaft 4 for driving the shaft 4 , Between the piston 2 and the inner wall of the cavity 1, a bush 5 which can be pushed back and forth in the cavity 1 is arranged. The sleeve 5 is coupled to the shaft 4 in such a way that the sleeve 5 is driven by the shaft 4 at a maximum speed relative to the cavity 1 which is lower than the maximum speed of the piston 2 relative to the cavity 1. The sleeve 5 and the piston 2 essentially in phase.
Im Konkreten ist die Innenwandung des Hohlraums 1 durch eine Gleitbüchse 6 gebildet, die in dem Hohlraum 1 angeordnet ist.
Die Büchse 5 weist einen Führungszapfen 7 auf, der am unteren Innenrand der Büchse 5 angeordnet ist. An dem Führungszapfen 7 ist eine Büchsen-Pleue- lestange 8 mit ihrem einen Ende angeordnet. Die Büchsen-Pleuelstange 8 ist mit ihrem anderen Ende mit einem Exzenterelement 9 der Welle 4 gekoppelt. Das Exzenterelement 9 ist gekröpft bzw. doppelt geknickt.Specifically, the inner wall of the cavity 1 is formed by a sliding bush 6, which is arranged in the cavity 1. The sleeve 5 has a guide pin 7 which is arranged on the lower inner edge of the sleeve 5. A bushing connecting rod 8 is arranged with one end on the guide pin 7. The bushing connecting rod 8 is coupled at its other end to an eccentric element 9 of the shaft 4. The eccentric element 9 is cranked or double kinked.
Der Büchsen-Exzenterelementabschnitt 10, der der Büchse 5 zugeordnet ist, weist eine kleinere Exzentrizität auf als ein dem Kolben 2 zugeordneter Kolben- Exzenterelementabschnitt 11. Genauer gesagt beträgt das Verhältnis der Exzentrizitäten 1 :2.The sleeve eccentric element section 10, which is assigned to the sleeve 5, has a smaller eccentricity than a piston eccentric element section 11 assigned to the piston 2. More specifically, the ratio of the eccentricities is 1: 2.
In der Wandung des Hohlraums 1 ist ein Einlass-Durchgang 12 und ein Aulass- Durchgang 13 in Schlitzform ausgebildet. Damit dient die Büchse 5 als Ventilelement für die Durchgänge 12 und 13. Die Büchse 5 weist ebenfalls einen Auslass-Durchgang 13 auf.In the wall of the cavity 1, an inlet passage 12 and an outlet passage 13 are formed in a slit shape. The bush 5 thus serves as a valve element for the passages 12 and 13. The bush 5 also has an outlet passage 13.
Der Brennraum 3 ist im kolbenfernen Bereich 14 geschlossen. Dabei ist auf Einlass- und Auslass-Ventile eines herkömmlichen Verbrennungsmotors verzichtet. Zwischen dem Kolben 2 und der Welle 4 ist eine Kolben-Pleuelstange 15 vorgesehen. Die gesamte oben beschriebene Anordnung ist in einem Motorblock 16 vorgesehen.The combustion chamber 3 is closed in the area 14 remote from the piston. Inlet and outlet valves of a conventional internal combustion engine are dispensed with. A piston connecting rod 15 is provided between the piston 2 and the shaft 4. The entire arrangement described above is provided in an engine block 16.
Beim oberen Totpunkt der Büchse 5 verschließt die Büchse 5 sowohl den oberen Einlass-Durchgang 12 als auch den unteren Auslass-Durchgang 13. Die Büchse 5 weist selbst den Auslass-Durchgang 13 in einer Zylinderkreisschnittebene auf, der kurz vor dem unteren Totpunkt der Büchse 5 kongruent mit dem Auslass- Durchgang 13 der Gleitbüchse 6 bzw. des Hohlraums 1 übereinstimmt. Falls hier mehrere Durchgänge 12 und 13 pro Bauteil ausgebildet wären, so würde die Büchse 5 auch diese Durchgänge 12 und 13 entsprechend verschließen oder freigeben. Der Einfachheit halber wird hier nur jeweils ein Durchgang 12 und 13 der Beschreibung zugrundegelegt.
Kurz vor dem unteren Totpunkt der Büchse 5 wird der Auslass-Durchgang 13 der Büchse 5 vom Kolben 2 verschlossen. Beim unteren Totpunkt des Kolbens 2 stehen sowohl die Einlass- als auch die Auslass-Durchgänge 12 und 13 offen. Die Positionen der Einlass- und Auslass-Durchgänge 12 und 13 sind so bemessen, dass kurz vor dem unteren Totpunkt der Büchse 5 bzw. des Kolbens 2 zuerst die Auslass-Durchgänge 13 von dem sie überfahrenden Kolben 2 und der Büchse 5 freigegeben werden und anschließend erst der obere Einlass-Durchgang 12 von der Büchse 5 freigegeben wird.At the top dead center of the sleeve 5, the sleeve 5 closes both the upper inlet passage 12 and the lower outlet passage 13. The sleeve 5 itself has the outlet passage 13 in a cylinder circular section plane, which is just before the bottom dead center of the sleeve 5 is congruent with the outlet passage 13 of the sliding bush 6 or the cavity 1. If several passages 12 and 13 were to be formed here per component, the bushing 5 would also close or release these passages 12 and 13 accordingly. For the sake of simplicity, only one passage 12 and 13 is used as the basis for the description. Shortly before the bottom dead center of the sleeve 5, the outlet passage 13 of the sleeve 5 is closed by the piston 2. At the bottom dead center of the piston 2, both the inlet and outlet passages 12 and 13 are open. The positions of the inlet and outlet passages 12 and 13 are dimensioned such that shortly before the bottom dead center of the sleeve 5 and the piston 2, respectively, the outlet passages 13 are released by the piston 2 and the sleeve 5 passing over them and then only the upper inlet passage 12 is released from the sleeve 5.
Bei der erfindungsgemäßen Steuerung - Schlitzsteuerung bzw. Schwingschiebersteuerung - liegt eine Einrohrschwingschiebersteuerung vor, bei der der Schwingschieber, also die Büchse 5, direkt von der Welle 4 mit der Wellendrehzahl angetrieben wird und nur eine einfache geradlinige Bewegung ausführt, also nicht wie bei bisherigen Einrohrschwingschieber-Konstruktionen eine überlagerte Bewegung ausführen muss. Dies wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass zur Durchgangs-Steuerung zusätzlich auch der Kolben 2 herangezogen wird.In the control according to the invention - slot control or swing slide control - there is a single-tube swing slide control in which the swing slide, that is to say the sleeve 5, is driven directly by the shaft 4 at the shaft speed and only executes a simple linear movement, that is to say not in the case of previous single-tube swing slide valves. Constructions must perform a superimposed movement. This is made possible according to the invention in that the piston 2 is also used for the passage control.
Die beschriebene Konstruktion erfährt im Betrieb den folgenden Bewegungs- und Funktionsablauf. Während der Drehbewegung der Welle 4 - ausgehend vom oberen Totpunkt des Kolbens 2 - senkt sich der Kolben 2 in der Büchse 5 ab und die Büchse 5 wird mit der halben Kolbengeschwindigkeit nachgeschleppt. Alle Einlass- und Auslassdurchgänge 12 und 13 sind geschlossen.The described construction undergoes the following movement and functional sequence during operation. During the rotational movement of the shaft 4 - starting from the top dead center of the piston 2 - the piston 2 in the bush 5 lowers and the bush 5 is dragged at half the piston speed. All inlet and outlet passages 12 and 13 are closed.
Während sich der Kolben 2 und die Büchse 5 dem unteren Totpunkt nähern, beginnen sich die Auslass-Durchgänge 13 der Büchse 5 und der Gleitbüchse 6 zu überlagern. Der Auslass-Durchgang 13 der Büchse 5 ist aber gerade noch von dem ihn überfahrenden Kolben 2 verschlossen. Im weiteren Bewegungsablauf - kurz vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 2 - gibt der Kolben 2 nun die Auslass-Durchgänge 13 frei und das noch unter Druck stehende Verbrennungsgas kann über die Auslass-Durchgänge 13 in den Auslasskanal expandieren.
Im weiteren Bewegungsablauf gibt nun auch die Büchse 5 kurz vor ihrem unteren Totpunkt den oberen Einlass-Durchgang 12 frei und Frischluft kann über eine Fördereinrichtung in den Brennraum gedrückt werden, was zu einer weiteren Ausspülung der Verbrennungsrestgase durch die noch offenen Auslass-Durchgänge 13 in den Auslasskanal und zu einer zusätzlichen Kühlung der inneren Brennraumoberflächen durch den durchgeleiteten Frischluftstrom führt.As the piston 2 and the sleeve 5 approach bottom dead center, the outlet passages 13 of the sleeve 5 and the sliding sleeve 6 begin to overlap. The outlet passage 13 of the sleeve 5 is just still closed by the piston 2 running over it. In the further course of motion - shortly before the bottom dead center of the piston 2 - the piston 2 now releases the outlet passages 13 and the combustion gas, which is still under pressure, can expand into the outlet channel via the outlet passages 13. In the further course of motion, the bush 5 now also releases the upper inlet passage 12 shortly before its bottom dead center and fresh air can be pressed into the combustion chamber via a conveying device, which leads to a further flushing out of the combustion residual gases through the still open outlet passages 13 in the FIGS Exhaust duct and additional cooling of the inner combustion chamber surfaces by the fresh air flow passed through.
Die Verwendung einer Fördereinrichtung zur Frischluftbeladung verschlechtert den Wirkungsgrad des Motors nicht, da auf der einen Seite der gesamte herkömmliche energieverbrauchende Ventilantrieb eingespart wird und auf der anderen Seite die vom üblichen Saugmotor aufzubringende Saugleistung eingespart wird. Dabei ist noch zu beachten, dass jeder Saugmotor gleichzeitig seine eigene Saugpumpe zur Gemischansaugung darstellt und dass ein Saugmotor als Saugpumpenaggregat alleine betrachtet, wegen seiner konstruktiven Doppelfunktion als Saugpumpe und als Verbrennungsmaschine, in der Regel nicht hinsichtlich seines Wirkungsgrads optimiert ist. Die Verwendung eines spezialisierten, hinsichtlich seines Wirkungsgrads optimierten, separaten Förderaggregats bzw. separaten Fördereinrichtung führt deshalb zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrads der gesamten Maschine bzw. des gesamten Verbrennungsmotors.The use of a conveyor for fresh air loading does not impair the efficiency of the engine, since on the one hand the entire conventional energy-consuming valve drive is saved and on the other hand the suction power to be applied by the conventional naturally aspirated engine is saved. It should also be noted that each naturally aspirated motor also represents its own suction pump for mixture intake, and that a naturally aspirated motor viewed as a suction pump unit alone, due to its dual design function as a suction pump and as an internal combustion engine, is usually not optimized in terms of its efficiency. The use of a specialized, separate conveying unit or separate conveying device which is optimized with regard to its efficiency therefore leads to a further increase in the efficiency of the entire machine or of the entire internal combustion engine.
Im weiteren Bewegungsablauf überfahren die Büchse 5 und der Kolben 2 ihre unteren Totpunkte und heben sich wieder, wobei die zuerst geöffneten Auslass- Durchgänge 13 wieder geschlossen werden. Jetzt kann sich im weiteren Bewegungsablauf der Frischluftdruck der Fördereinrichtung im Brennraum aufbauen, bis die weitere Büchsenbewegung auch den Einlass-Durchgang 12 schließt. Der weitere Bewegungsablauf ist dann der Kompressionszyklus bis zum oberen Totpunkt des Kolbens 2.In the further course of movement, the bush 5 and the piston 2 pass over their bottom dead centers and rise again, the outlet passages 13 which were opened first being closed again. Now the fresh air pressure of the conveying device can build up in the combustion chamber in the further movement sequence until the further sleeve movement also closes the inlet passage 12. The further movement sequence is then the compression cycle up to the top dead center of the piston 2.
Der Kolben 2 und die Büchse 5 weisen nur eine geringfügig unterschiedliche Drehwinkellage auf oder weisen sogar dieselbe Drehwinkellage auf. Eine unterschiedliche Drehwinkellage kann konstruktiv durch die Verdrehung der Kröpfung des Exzenterelements 9 erreicht werden. Bei der Verwendung einer unterschied-
liehen Drehwinkellage ist ein vorteilhafter minimierter innerer Verschleiß der Büchse 5 am oberen Totpunkt der Kolbenlaufbahn zu erwarten, weil die Gleitbewegung am oberen Totpunkt nicht zum Stillstand kommt.The piston 2 and the sleeve 5 have only a slightly different angle of rotation position or even have the same angle of rotation position. A different angle of rotation position can be achieved constructively by rotating the crank of the eccentric element 9. When using a different In the angular position, advantageously minimized internal wear of the bushing 5 is to be expected at the top dead center of the piston race because the sliding movement does not come to a standstill at the top dead center.
Innerhalb dieses Zyklus wird der Treibstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. Nach dem Überfahren des oberen Totpunkts durch den Kolben 2 erfolgt die Zündung des Verbrennungsgasgemischs und der Verbrennungszyklus bzw. Expansionsarbeitszyklus beginnt. Die Erfindung stellt somit einen rohrschieber-ventil- gesteuerten Zweitaktmotor mit Schleppbüchsen und Kompressorfrischluftbeladung und Treibstoffdirekteinspritzung dar.Within this cycle, the fuel is injected directly into the combustion chamber. After the piston 2 has passed top dead center, the combustion gas mixture is ignited and the combustion cycle or expansion work cycle begins. The invention thus represents a two-stroke pipe valve-valve-controlled engine with drag bushes and compressor fresh air loading and direct fuel injection.
Dadurch kann mit dieser Motorenkonstruktion bei gleicher bisher üblicher Drehzahl im theoretischen Grenzfall die doppelte Leistungsabgabe gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Viertaktmotorenkonstruktionen oder bei vergleichbarer Leistungsabgabe eine wesentlich geringere Baugröße und Motorenmasse erreicht werden. Speziell kann durch die kleineren möglichen Hubraumgeometrien der Erfindung die zu beschleunigende Masse, die aus Arbeitshubkolben, Schleppbüchsen und den Pleuelstangen besteht, wieder kompensiert werden und in das bisher übliche Maß gebracht werden.As a result, this engine design can achieve twice the power output compared to conventional comparable four-stroke engine designs at the same previously usual speed in the theoretical limit case, or a significantly smaller size and engine mass can be achieved with comparable power output. Specifically, the smaller possible displacement geometries of the invention make it possible to compensate for the mass to be accelerated, which consists of working pistons, drag bushes and the connecting rods, and bring them to the previously usual level.
Mit der bisher beschriebenen Wirkungsweise der Erfindung kann grob die Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads η abgeschätzt werden. Die typische minimale Arbeitstemperatur T, der Verbrennungsgasatmosphäre liegt bei herkömmlichen Hubkolbenverbrennungsmotoren zwischen ca. 700° Celsius und ca. 1000° Celsius. Für diese Abschätzung werden im Mittel ca. 800° Celsius zugrundegelegt. Die mittlere maximale Arbeitstemperatur T2 der Verbrennungsgasatmosphäre liegt bei herkömmlichen Motorenkonstruktionen im Mittel bei ca. 1300° Celsius. Der thermodynamische Wirkungsgrad bisheriger üblicher Hubkolbenverbrennungsmotoren liegt dann bei im Mittel ca. η = 0,38, wobei die Pump- und Reibungsarbeitsleistung, die der Motor verzehrt, einbezogen ist.With the mode of operation of the invention described so far, the improvement in the thermodynamic efficiency η can be roughly estimated. The typical minimum working temperature T, the combustion gas atmosphere in conventional reciprocating piston internal combustion engines is between approx. 700 ° Celsius and approx. 1000 ° Celsius. An average of approx. 800 ° Celsius is used for this estimate. The average maximum working temperature T 2 of the combustion gas atmosphere is around 1300 ° Celsius on average in conventional engine designs. The thermodynamic efficiency of previous reciprocating piston internal combustion engines is then on average approx. Η = 0.38, taking into account the pumping and frictional work performed by the engine.
Unter der grob vereinfachten Annahme, dass eine Verminderung der Motorkopfkühlung bzw. eine dadurch erreichte Temperaturerhöhung des Motorkopfs auch
eine Erhöhung der maximalen Arbeitstemperatur T2 der Verbrennungsgasatmosphäre um bis zu 200° Celsius ermöglicht, führt die zweite erfinderische Maßnahme, also die Vermeidung einer Motorkopfsteuerung mittels einer Schleppbüchsensteuerung, zu einem Anstieg des thermodynamischen Wirkungsgrads um 24% auf η = 0,47. Zusammen mit der ersten beschriebenen erfinderischen Maßnahme, der Verdopplung des Expansionsvolumens, kann die minimale Arbeitstemperatur JA in adiabatischer Nährung - Adiabatenexponent χ = 0,4 - auf ca. 600° Celsius abgesenkt werden. Dadurch ergibt die Wirkung der Erfindung insgesamt einen Anstieg des thermodynamischen Wirkungsgrads um 58% von η = 0,38 auf η = 0,6.Under the roughly simplified assumption that a reduction in the motor head cooling or an increase in temperature of the motor head achieved thereby also an increase in the maximum working temperature T 2 of the combustion gas atmosphere by up to 200 ° Celsius, the second inventive measure, i.e. avoiding engine head control by means of a drag bush control, leads to an increase in the thermodynamic efficiency by 24% to η = 0.47. Together with the first inventive measure described, the doubling of the expansion volume, the minimum working temperature JA in adiabatic approximation - adiabatic exponent χ = 0.4 - can be reduced to approximately 600 ° Celsius. As a result, the effect of the invention results overall in an increase in the thermodynamic efficiency of 58% from η = 0.38 to η = 0.6.
Dies bedeutet, dass mit der Erfindung die Leistungsausbeute von Hubkolbenverbrennungsmotoren bei gleichbleibendem Treibstoffverbrauch um ca. 50% gesteigert werden kann oder dass bei gleichbleibender Arbeitsleistungsabgabe der Treibstoffverbrauch um ca. 50% gesenkt werden kann. Die Mehrleistung stammt erfindungsbedingt aus der wesentlich besseren Ausnutzung der Verbrennungsgasenergie und aus der Verminderung der Wärmeenergieabfuhr durch Kühlung.This means that the power yield of reciprocating piston internal combustion engines can be increased by approximately 50% with the fuel consumption remaining the same or that the fuel consumption can be reduced by approximately 50% while the power output remains the same. According to the invention, the additional power comes from the substantially better utilization of the combustion gas energy and from the reduction of the heat energy dissipation through cooling.
Der thermodynamische Wirkungsgrad der Erfindung kann noch weiter gesteigert werden, indem die kinetische Restenergie des Verbrennungsabgasstroms über Strömungsmaschinen wie z. B. Abgasturbinen genutzt wird, wie es bereits üblich ist. Dies führt schätzungsweise nochmals zu einer Erhöhung des möglichen Wirkungsgrads einer solchen Verbundmaschine um bis zu 10%. Aufgrund der geschilderten beispielhaften Konstruktion der Erfindung ohne eine selbständige Ansaugtätigkeit für Frischluft eignet sich hier ein zusätzliches Turbinenaggregat nicht zur Frischluftbeladung in der Motorenstartphase. Solche zusätzlichen Turbinenaggregate können aber ihre Leistungsausbeute der Restgasenergie über ein Getriebe direkt an die Kurbelwelle abgeben. Insgesamt ist mit der vorgestellten Erfindung ein Verbrennungsmotor realisierbar, der einen weitaus höheren thermischen Wirkungsgrad und damit alternativ entweder weitaus höhere Lei- stungs- und Drehmomentausbeuten oder einen wesentlich geringeren Treibstoffverbrauch bei vergleichbaren Leistungsausbeuten von heutigen Verbrennungsmotoren verspricht.
The thermodynamic efficiency of the invention can be increased even further by the kinetic residual energy of the combustion exhaust gas stream via turbomachines such. B. exhaust gas turbines is used, as is already common. It is estimated that this again leads to an increase in the possible efficiency of such a compound machine by up to 10%. Due to the exemplary construction of the invention described without an independent intake activity for fresh air, an additional turbine unit is not suitable for fresh air loading in the engine starting phase. Such additional turbine units can, however, deliver their power yield of the residual gas energy directly to the crankshaft via a transmission. Overall, an internal combustion engine can be realized with the presented invention, which promises a far higher thermal efficiency and thus alternatively either much higher power and torque yields or a significantly lower fuel consumption with comparable performance yields of today's internal combustion engines.