WO2008019826A1 - Internal combustion engine having integrated supercharging - Google Patents

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WO2008019826A1 PCT/EP2007/007186 EP2007007186W WO2008019826A1 WO 2008019826 A1 WO2008019826 A1 WO 2008019826A1 EP 2007007186 W EP2007007186 W EP 2007007186W WO 2008019826 A1 WO2008019826 A1 WO 2008019826A1
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Abstract

An internal combustion engine having integrated supercharging comprises at least one cylinder (2), in which a piston (4) can be moved to and fro with formation of a working space (8) between one side of the piston and a cylinder head (6) and with formation of a compression space (14) on the other side of the piston, a skirt (12) which is connected to the piston (4), is arranged at least partially in the compression space (14) and is connected to a crank mechanism (18, 20) in order to convert the to and fro movement of the piston into a rotational movement of at least one crankshaft (18, 20), at least one inlet valve (50) which is arranged in an inlet into the working space (8), a feed channel (34) which leads into the compression space (14) and in which a feed valve (38) is arranged, and a discharge channel (36) which connects the compression space (14) to the inlet into the working space and in which a discharge valve (40) is arranged. The skirt (12) which is connected to the piston (4) is guided with a sealing action through the base wall (10) of the cylinder (2) so as to move linearly to and fro, and the crank mechanism is configured in such a way that it converts the linear to and fro movement of the skirt into the rotational movement of the at least one crankshaft (18, 20), and the compression space (14) is delimited on its side which faces away from the piston (4) by a bottom wall (10) of the cylinder.

Description

Brennkraftmaschine mit integrierter Aufladung Internal combustion engine with integrated charging
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit integrierter Aufladung.The invention relates to an internal combustion engine with integrated charging.
Die Aufladung von Kolbenbrennkraftmaschinen ist ein zunehmend eingesetztes Mittel nicht nur zur Leistungssteigerung, sondern auch zur Verbrauchssenkung. Aus der DE 102 47 197 Al ist eine Brennkraftmaschine bekannt, in deren Zylinderwand Überströmschlitze ausgebildet sind, die im Bereich des unteren Totpunktes des Zylinders eine Verbindung zwischen dem Verdichtungsraum und dem Arbeitsraum freigeben, so dass im Verdichtungsraum beim Abwärtshub des Kolbens verdichtete Frischluft in den Brennraum überströmen kann.The supercharging of piston internal combustion engines is an increasingly used means not only to increase performance, but also to reduce fuel consumption. From DE 102 47 197 Al an internal combustion engine is known in the cylinder wall Überströmschlitze are formed, which release a connection between the compression chamber and the working space in the region of the bottom dead center of the cylinder, so that in the compression chamber during the downward stroke of the piston compressed fresh air into the combustion chamber can overflow.
Aus der DE 198 25 490 Al, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Frischladung in einen Unterkolbenraum angesaugt wird, dann in ein Überleitungsrohr verschoben wird und dort eingesperrt wird, bis im Unterkolben- räum eine weitere Gasmenge angesaugt ist und der normale Ansaugvorgang des Brennraums stattfindet und dann die vorangesaugten Gase zusätzlich in den Brennraum verbracht werden. Eine Eigenart dieser bekannten Brennkraftmaschine liegt darin, dass der Unterkolbenraum relativ groß ist und durch ihn geförderte Ladung mit Schmieröl des Kurbeltriebs verunreinigt ist. Weiter führt das verhältnismäßig große Volumen des Verdichtungsraums dazu, dass die dort befindliche Frischladung bei dem Abwärtshub des Kolbens nur wenig verdichtet wird und entsprechend nur wenig Frischladung in das Überleitungsrohr gepresst wird.From DE 198 25 490 Al, which is assumed in the preamble of claim 1, an internal combustion engine is known, is sucked in the fresh charge in a sub-piston space, then moved into a transfer pipe and is trapped there, in the sub-piston another space Gas quantity is sucked in and the normal intake of the combustion chamber takes place and then the vorangesaugten gases are additionally spent in the combustion chamber. A peculiarity of this known internal combustion engine is that the sub-piston space is relatively large and funded by him charge is contaminated with lubricating oil of the crank mechanism. Further, the relatively large volume of the compression chamber causes the fresh charge located there is only slightly compressed in the downward stroke of the piston and is pressed according to only a little fresh charge in the transfer pipe.
Aus der DE 40 27 533 C2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Kolben sich bei seiner Auf- und Abwärtsbewegung gleichzeitig dreht und über eine drehfest mit dem Kolben verbun- dene Kolbenwelle, die sich bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens relativ zum Kolben linear bewegt, mit einer Abtriebswelle verbunden ist. Unterhalb des Kolbens ist ein durch den Kolben, die Zylinderinnenwand und eine Trennwand, durch die hindurch die Kolbenwelle drehbar und dicht hindurch geführt ist, begrenzter Vorverdichtungsraum angeordnet, in dem Frischluft vorverdichtet wird und anschließend dem oberhalb des Kolbens angeordneten Brennraum zugeführt wird.From DE 40 27 533 C2 an internal combustion engine is known, whose piston simultaneously rotates during its up and down movement and via a non-rotatably connected to the piston piston shaft, which moves linearly during the up and down movement of the piston relative to the piston , connected to an output shaft. Below the piston, a precompression space defined by the piston, the cylinder inner wall and a partition wall, through which the piston shaft is rotatably and tightly guided, is arranged in which fresh air is precompressed and subsequently supplied to the combustion space arranged above the piston.
In der DE 198 39 227 Al ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, deren Kolben über einen Schaft mit einem Kurbeltrieb verbunden ist, der eine lineare Hin- und Herbewegung des Schaftes in eine Drehbewegung wenigstens einer Kurbelwelle umwandelt. An dem Schaft ist wenigstens ein weiterer Kolben befestigt, der innerhalb eines zwischen zwei Trennwänden des Zylinders geführten Raums arbeitet und Luft komprimiert, die dem Brennraum zugeführt wird.In DE 198 39 227 Al an internal combustion engine is described, the piston is connected via a shaft with a crank mechanism, a linear reciprocating motion of the shaft converted into a rotational movement of at least one crankshaft. At least one further piston, which operates within a space guided between two partitions of the cylinder and compresses air which is supplied to the combustion chamber, is fastened to the shaft.
Ein sogenannter Doppelkurbeltrieb, wie er in der DE 198 39 227 Al zur Umwandlung einer linearen Hin- und Herbewegung des mit dem Kolben verbundenen Schaftes in eine Drehbewegung wenigstens einer Kurbelwelle verwendet wird, ist auch aus der DE 102 47 196 B4 und der DE 102 47 197 Al bekannt.A so-called double crank drive, as used in DE 198 39 227 A1 for converting a linear reciprocating movement of the shaft connected to the piston into a rotational movement of at least one crankshaft, is also known from DE 102 47 196 B4 and DE 102 47 197 Al known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit integrierter Aufladung zu schaffen, die mit hohem Ladewirkungsgrad arbeitet und schadstoffarmes Abgas liefert.The invention has for its object to provide an internal combustion engine with integrated charging, which works with high charging efficiency and provides low-emission exhaust gas.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 lässt sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besonders kompakt bauen, da der Zylinderraum wegen des geringen Eigenvolumens des Kolbens weitgehend genutzt werden kann.With the features of claim 2, the internal combustion engine according to the invention can be made very compact, since the cylinder chamber can be widely used because of the small intrinsic volume of the piston.
Der Anspruch 3 kennzeichnet die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bei Viertaktbetrieb.The claim 3 indicates the internal combustion engine according to the invention in four-stroke operation.
Der Anspruch 4 kennzeichnet die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bei Zweitaktbetrieb.The claim 4 identifies the internal combustion engine according to the invention in two-stroke operation.
Die weiteren Ansprüche 5 bis 15 sind auf weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gerichtet, deren Vorteile im Einzelnen aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden.The further claims 5 to 15 are directed to further advantageous embodiments and refinements of the internal combustion engine according to the invention, the advantages of which will become apparent from the following description.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.
In den Figuren stellen dar:In the figures represent:
Figur 1 : eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, geschnitten in der Mittelebene des Zylinders in Bewegungsrichtung des Kolbens, Figur 2: eine Teilansicht eines Schnittes durch die Brennkraftmaschine gemäß Figur 1 in einer den Verdichtungsraum enthaltenden Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens,1 shows a schematic sectional view of an internal combustion engine according to the invention, cut in the center plane of the cylinder in the direction of movement of the piston, 2 shows a partial view of a section through the internal combustion engine according to FIG. 1 in a plane containing the compression space perpendicular to the direction of movement of the piston, FIG.
Figur 3: eine Schnittansicht eines Wirbelerzeugers, der gleichzeitig als Zyklon zur Parti - kelabscheidung arbeitet,FIG. 3 is a sectional view of a vortex generator which simultaneously operates as a cyclone for particulate separation,
Figur 4: eine Schnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, undFigure 4 is a sectional view of a modified embodiment of an internal combustion engine according to the invention, and
Figur 5: eine Skizze zur Erläuterung einer Eigenschaft eines Doppelkurbeltriebs.Figure 5: a sketch for explaining a property of a double crank drive.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Mittelebene des Zylinders in Bewegungsrichtung des Kolbens einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei auch außerhalb der Schnittebene befindliche Teile dargestellt sind. In einem Zylinder 2 der Brennkraftmaschine arbeitet ein scheibenförmiger Kolben 4, der zwischen seiner Oberseite und einem Zylinderkopf 6 einen Arbeitsraum 8 bildet.Figure 1 shows a section through a median plane of the cylinder in the direction of movement of the piston of an internal combustion engine according to the invention, wherein also located outside of the cutting plane parts are shown. In a cylinder 2 of the internal combustion engine operates a disc-shaped piston 4, which forms a working space 8 between its top and a cylinder head 6.
Der Zylinder 2 ist an seiner Unterseite durch eine Bodenwand 10 verschlossen, durch die hindurch ein mit dem Kolben 4 vorzugsweise starr verbundener Schaft 12 unter Abdichtung linear hin- und her beweglich durchgeführt ist. Zwischen der Unterseite des Kolbens 4 und der Bodenwand 10 ist auf diese Weise ein Verdichtungsraum 14 geschaffen.The cylinder 2 is closed on its underside by a bottom wall 10, through which a shaft 12, which is preferably rigidly connected to the piston 4, is linearly reciprocatingly guided in a reciprocating fashion. Between the bottom of the piston 4 and the bottom wall 10, a compression space 14 is created in this way.
Unterhalb des Zylinders ist in einem mit diesem starr verbundenen Kurbelgehäuse 16 ein sogenannter Doppelkurbeltrieb angeordnet, der zwei in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Drehzahl laufende Kurbelwellen 18 und 20 enthält, die mit Kurbelscheiben 22 und 24 ausgebildet sind, die über Umfangsverzahnungen 26 und 28 drehfest miteinander in Eingriff sind. Die Drehrichtungen der Kurbelwellen sind bevorzugt wie in Figur 1 angegeben.Below the cylinder in a rigidly connected to this crankcase 16, a so-called double crank drive is arranged, which includes two running in the opposite direction at the same speed crankshafts 18 and 20, which are formed with crank disks 22 and 24 via peripheral gears 26 and 28 rotatably with each other in Are engaged. The directions of rotation of the crankshafts are preferably as indicated in FIG.
An jeder Kurbelscheibe ist exzentrisch ein Ende eines Pleuels 30 bzw. 32 gelagert, dessen anderes Ende an dem Schaft 12 gelagert ist. In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung befindet sich der Kolben 4 in seinem oberen Totpunkt. In der punktierten Stellung befindet sich der Kolben 4 mit den Pleueln in seinem unteren Totpunkt. Wie ersichtlich, erstreckt sich der Schaft 12 mit seinem vom Kolben abgewandten Ende bis unterhalb der Ebene, in der die Kurbelwellen gelagert sind. Damit wird einerseits eine kompakte Bauweise erreicht und anderer- seits erreicht, dass die Pleuel 30 und 32 im Wesentlichen nur auf Zug beansprucht sind. Unmittelbar oberhalb der Bodenwand 10 mündet in den Verdichtungsraum ein Frischluftzufuhrkanal 34 und führt aus dem Verdichtungsraum 14 ein Abfuhrkanal 36 heraus.On each crank disc eccentrically one end of a connecting rod 30 and 32 is mounted, the other end is mounted on the shaft 12. In the position shown in solid lines, the piston 4 is in its top dead center. In the dotted position, the piston 4 is located with the connecting rods in its bottom dead center. As can be seen, the shaft 12 extends with its end facing away from the piston to below the plane in which the crankshafts are mounted. On the one hand, this achieves a compact design and, secondly, reached on the other hand, that the connecting rods 30 and 32 are essentially claimed only to train. Immediately above the bottom wall 10 opens into the compression chamber, a fresh air supply passage 34 and leads from the compression chamber 14, a discharge channel 36 out.
Im Bereich der Mündung des Zufuhrkanals 34 in den Verdichtungsraum 14 ist ein Zufuhrventil 38 (Figur 2) angeordnet. Im Bereich der Ableitung des Abfuhrkanals 36 aus dem Verdichtungsraum 14 ist ein Abfuhrventil 40 angeordnet.In the region of the mouth of the feed channel 34 in the compression chamber 14, a supply valve 38 (Figure 2) is arranged. In the region of the discharge of the discharge channel 36 from the compression chamber 14, a discharge valve 40 is arranged.
Das Zufuhrventil 38 und das Abfuhrventil 40 sind durch eine mit Schlitzen versehene Ventil- scheibe 42 gebildet, die in nicht dargestellter Weise mit einer der Kurbelwellen drehfest verbunden ist und mit gleicher Drehzahl dreht wie die Kurbelwellen. Genauer weist die Ventilscheibe 42 einen ein Winkelsegment in Umfangsrichtung überstreichenden Zufuhrschlitz 44 (Figur 1) und einen ein Winkelsegment in Umfangsrichtung überstreichenden Abfuhrschlitz 46 auf. Der radiale Abstand der Schlitze 44 und 46 von der Drehachse der Ventilscheibe 42 ist derart, dass die Schlitze mit der Mündung des Zufuhrkanals 34 bzw. der Ableitung des Abfuhrkanals 36 fluchten.The supply valve 38 and the discharge valve 40 are formed by a slotted valve disc 42 which is non-rotatably connected in a manner not shown with one of the crankshafts and rotates at the same speed as the crankshafts. More specifically, the valve disk 42 has an intake slot 44 sweeping an angular segment in the circumferential direction (FIG. 1) and an exhaust slot 46 sweeping over an angular segment in the circumferential direction. The radial distance of the slots 44 and 46 from the axis of rotation of the valve disc 42 is such that the slots are aligned with the mouth of the supply channel 34 and the discharge of the discharge channel 36, respectively.
Der Abfuhrkanal 36 ist mit einem Puffervolumen bzw. einem Pufferbehälter 48 verbunden, das bzw. der wiederum mit einem zu einem Zylinderkopf 6 angeordneten Einlassventil 50 füh- renden Einlasskanal 52 verbunden ist. In dem Einlasskanal 52 ist ein Steuerventil 54 angeordnet.The discharge channel 36 is connected to a buffer volume or a buffer container 48, which in turn is connected to an inlet channel 52 leading to a cylinder head 6 and leading to a cylinder head 6. In the inlet channel 52, a control valve 54 is arranged.
Im Zylinderkopf 6 ist weiterhin in an sich bekannter Weise wenigstens ein Auslassventil 56 angeordnet, das in geöffnetem Zustand den Arbeitsraum 8 mit einem Auslasskanal 58 verbin- det. Bei Ausbildung als Ottomotor ist im Zylinderkopf 6 eine Zündkerze 59 angeordnet, die bei dieselmotorischer Ausbildung fehlt bzw. durch eine Glühkerze ersetzt sein kann.In the cylinder head 6, at least one outlet valve 56 is furthermore arranged in a manner known per se, which in the open state connects the working space 8 with an outlet channel 58. When trained as a gasoline engine, a spark plug 59 is disposed in the cylinder head 6, which may be missing in diesel engine training or replaced by a glow plug.
Der Pufferbehälter 48 ist mit einem Kühler 60 versehen, der vorzugsweise an ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, mit dem vorzugsweise auch die Zylinderwände ge- kühlt sind. Entsprechende Kühlkanäle sind mit 61 bezeichnet. Der Kühler 60 kann wie ein Ladeluftkühler in an sich bekannter Weise auch als Luftkühler ausgebildet sein. Der Druck im Pufferbehälter 48 ist vorzugsweise mit einem Abblasventil 62 steuerbar, das an ein Steuergerät angeschlossen ist.The buffer container 48 is provided with a cooler 60 which is preferably connected to a cooling system of the internal combustion engine, with which preferably the cylinder walls are also cooled. Corresponding cooling channels are designated 61. The cooler 60 may be designed as an intercooler in a conventional manner as an air cooler. The pressure in the Buffer tank 48 is preferably controllable with a blow-off valve 62 which is connected to a control unit.
Vor dem Einlass in den Pufferbehälter 48 ist vorteilhafterweise ein Rückschlagventil 64 ange- ordnet.Before the inlet into the buffer container 48, a check valve 64 is advantageously arranged.
Die grundsätzliche Funktionsweise der beschriebenen Brennkraftmaschine wird im Folgenden am Beispiel eines im Viertaktverfahren betriebenen Otto-Motors erläutert:The basic mode of operation of the internal combustion engine described is explained below using the example of a gasoline engine operated in a four-stroke cycle:
Sei angenommen, der Kolben 4 befindet sich im oberen Totpunkt. Einlassventil 50 und Auslassventil 56, die in an sich bekannter Weise gesteuert werden, sind geschlossen; in den Arbeitsraum 8, der sein minimales Volumen hat und verdichtete Frischladung enthält, ist über ein nicht dargestelltes Einspritzsystem Kraftstoff eingespritzt, der mittels der Zündkerze 59 entzündet wird. Der Kolben 4 bewegt sich dann abwärts, wobei bei geschlossenem Zufuhrventil 38 durch das offene Abfuhrventil 40 (der Abfuhrschlitz 46 überdeckt den Abfuhrkanal 36) im Verdichtungsraum 14 befindliche Frischluft in den Pufferbehälter 48 gedrängt wird. Wenn der Kolben seinen UT erreicht (was wegen des Doppelkurbeltriebs erst nach einer Kurbelwellenhebung von etwa 200° nach OT der Fall ist), oder etwas vorher, öffnet das Auslassventil 56 und wird die Überdeckung des Abfuhrschlitzes 46 mit dem Abfuhrkanal 36 beendet. Der Kolben 4 bewegt sich unter Ver- größerung des Volumens des Verdichtungsraums 14 und Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraums 8 nach oben, wobei der Zufuhrschlitz 44 in Überdeckung mit dem Zufuhrkanal 34 kommt und das Zufuhrventil 38 öffnet, so dass in den Verdichtungsraum 14 Frischluft eingesaugt wird. Wenn der Kolben 4 seinen OT erreicht hat, oder kurz davor, schließt das Auslassventil 56 und schließt das Zufuhrventil 38. Anschließend beginnt erneut ein Abwärtshub des KoI- bens, wobei wiederum Frischluft aus dem Verdichtungsraum 14 durch das nunmehr wieder geöffnete Abfuhrventil 40 in den Pufferbehälter 48 gedrückt wird, so dass dort für einen Ansaugbzw. Füllungstakt des Arbeitsraums 8 im Wesentlichen zweimal das Volumen des Verdichtungsraums 14 zur Verfügung steht, welches bei während des Ansaugtakts geöffnetem Einlassventil 50 in den Arbeitsraum 8 einströmt und nach einem anschließenden Verdichtungshub des KoI- bens 4 zur Arbeitsleistung zur Verfügung steht. Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit integrierter Aufladung ausgeführt, die außerordentlich effizient ist, wozu die Kühlung des Pufferbehälters 48 beiträgt.Suppose the piston 4 is at top dead center. Inlet valve 50 and exhaust valve 56, which are controlled in a conventional manner, are closed; into the working space 8, which has its minimum volume and contains fresh compressed charge, fuel is injected via an injection system, not shown, which is ignited by means of the spark plug 59. The piston 4 then moves downwards, wherein when the supply valve 38 is closed by the open discharge valve 40 (the discharge slot 46 covers the discharge channel 36) located in the compression chamber 14 fresh air is forced into the buffer tank 48. When the piston reaches its BDC (which is due to the double crank drive only after a crankshaft lift of about 200 ° TDC), or slightly before, the exhaust valve 56 opens and the overflow of the exhaust port 46 to the exhaust passage 36 is terminated. The piston 4 moves upwardly increasing the volume of the compression space 14 and reducing the volume of the working space 8, the supply slot 44 coming into registry with the supply passage 34 and opening the supply valve 38 so that fresh air is drawn into the compression space 14 , When the piston 4 has reached its TDC, or shortly before, the exhaust valve 56 closes and closes the supply valve 38. Then, a downward stroke of the piston begins again, again fresh air from the compression chamber 14 through the now opened again discharge valve 40 into the buffer tank 48 is pressed so that there for a Ansaugbzw. Filling stroke of the working space 8 is substantially twice the volume of the compression chamber 14 is available, which flows at open during the intake stroke inlet valve 50 into the working space 8 and after a subsequent compression stroke of the KoI bens 4 is available for work performance. As is apparent from the above, the internal combustion engine according to the invention is designed with integrated charging, which is extremely efficient, to which the cooling of the buffer tank 48 contributes.
Bei dem geschilderten Motor ändert sich das Volumen des Arbeitsraumes 8 um den gleichen Betrag wie das Volumen des Verdichtungsraumes 14. Im stationären Zustand und bei Voraussetzung isothermer Verhältnisse hat daher das im Arbeitsraum 8 im unteren Totpunkt des Kolbens befindliche Luftvolumen etwa den doppelten Druck wie der Umgebungsdruck, da dieses Volumen zweifach gefördert wurde (einem Ansaughub des Arbeitsraums entsprechen zwei Ver- dichtungs- bzw. Pumphübe des Verdichtungsraums). Das Volumen des Pufferbehälters 48 hat Einfluss auf die Dynamik des Systems. Je größer das Volumen des Pufferbehälters 48 ist, desto geringer sind die Druckschwankungen. Jedoch reagiert der Motor bei einer Absenkung des Druckes in dem Pufferbehälter 48 aufgrund der Öffnung des Ablassventilträgers und entwickelt erst mit Verzögerung wieder seinen vollen Ladedruck. Der Pufferbehälter 48 kann zur Druck- Stabilisierung eine federbelastete Membran enthalten, wobei der Federdruck einstellbar sein kann. Der Pufferbehälter 48 kann auch durch einen gummischlauchartigen Behälter gebildet sein, dessen Volumen sich an den Druck anpasst. Es ist möglich, den Pufferbehälter bzw. das Puffervolumen ganz entfalten zu lassen, indem die Ladeluft lediglich durch erforderliche Verbindungsleitungen geführt wird. Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Verdichtungs- raums kann höher als das des Arbeitsraums sein, da im UT des Kolbens nur ein möglichst geringes Totvolumen vorhanden sein soll. Das Rückschlagventil 64 stellt sicher, dass keine bereits im Pufferbehälter 48 befindliche Frischluft in den Verdichtungsraum 14 zurückströmt.In the described engine, the volume of the working chamber 8 changes by the same amount as the volume of the compression chamber 14. In the steady state and assuming isothermal conditions therefore located in the working chamber 8 at the bottom dead center of the piston air volume has about twice the pressure as the ambient pressure since this volume was conveyed twice (one intake stroke of the working space corresponds to two compression or pumping strokes of the compression space). The volume of the buffer container 48 has an influence on the dynamics of the system. The larger the volume of the buffer tank 48, the lower the pressure fluctuations. However, when the pressure in the buffer tank 48 is lowered, the engine will react due to the opening of the bleed valve support and will not return to full charge pressure until delayed. The buffer container 48 may include a spring-loaded membrane for pressure stabilization, wherein the spring pressure may be adjustable. The buffer container 48 may also be formed by a rubber-type container whose volume adapts to the pressure. It is possible to let the buffer tank or the buffer volume unfold completely by the charge air is only performed by required connection lines. The geometric compression ratio of the compression chamber can be higher than that of the working chamber, since in the BDC of the piston only the lowest possible dead volume should be present. The check valve 64 ensures that no fresh air already contained in the buffer tank 48 flows back into the compression chamber 14.
Durch die Aufladung ist es möglich, die Steuerzeiten so zu wählen, dass keine Überschneidung zwischen offenem Einlass und offenem Auslass besteht. Beispielsweise Steuerzeiten sind:By charging, it is possible to select the timing so that there is no overlap between the open inlet and the open outlet. For example, control times are:
Einlass öffnet: 5° vor OT schließt: 20° nach UTInlet opens: 5 ° before TDC closes: 20 ° after TDC
Auslass öffnet: 40° vor UT schließt: 5° nach UTOutlet opens: 40 ° before UT closes: 5 ° after UT
Die Laststeuerung geschieht vorteilhafterweise wie folgt: Wenn keine Aufladung erforderlich ist, wird das Abblasventil 62 vorteilhafterweise geöffnet, so dass im Pufferbehälter 48 kein Überdruck entsteht. Wenn ein Betrieb mit geringerer Füllung erfolgen soll, wird der Querschnitt des Einlasskanals 52 vorteilhafterweise mit dem Steuerventil 54, das als Drosselventil ausgebildet sein kann, verkleinert. Die Steuerung des Betriebs oh- ne Aufladung erfolgt somit vorteilhafterweise über das Steuerventil 54. Wenn Aufladung erforderlich ist, wird das Steuerventil 54 vollständig geöffnet und die Steuerung erfolgt über das Abblasventil 62, das bei Volllast völlig geschlossen ist.The load control advantageously takes place as follows: If no charge is required, the blow-off valve 62 is advantageously opened so that no overpressure arises in the buffer container 48. If operation is to be performed with less filling, the cross-section of the inlet channel 52 is advantageously reduced with the control valve 54, which may be designed as a throttle valve. The control of the operation without charging thus takes place advantageously via the control valve 54. When charging is required, the control valve 54 is fully opened and the control takes place via the blow-off valve 62, which is completely closed at full load.
Die Phase der Ventilscheibe 42 relativ zur Kurbelwelle oder auch der Umfangswinkelbereich der Schlitze 44, 46 können verstellbar sein. Das durch die Ventilscheibe 42 und deren Schlitze gebildete Zufuhrventil 38 und Abfuhrventil 40 können durch einfache Rückschlagventile ersetzt werden, wobei das Rückschlagventil 38 eine Einströmung in den Verdichtungsraum 14 zulässt und das Rückschlagventil 40 eine Ausströmung aus dem Verdichtungsraum 14 zulässt.The phase of the valve disc 42 relative to the crankshaft or the circumferential angular range of the slots 44, 46 may be adjustable. The feed valve 38 and discharge valve 40 formed by the valve disk 42 and its slots can be replaced by simple check valves, wherein the check valve 38 allows an inflow into the compression chamber 14 and the check valve 40 allows an outflow from the compression chamber 14.
Das Zufuhrventil 38 und das Abfuhrventil 40 können auch durch frei steuerbare Ventile ersetzt werden, beispielsweise Drehschieberventile. Diese Ventile können einzeln steuerbar sein, wodurch eine Laststeuerung möglich ist. Eine Laststeuerung kann auch dadurch erfolgen, dass im Zufuhrkanal 34 ein nicht dargestelltes Drosselventil angeordnet ist.The supply valve 38 and the discharge valve 40 can also be replaced by freely controllable valves, such as rotary valves. These valves can be individually controlled, whereby a load control is possible. A load control can also take place in that a non-illustrated throttle valve is arranged in the supply channel 34.
Es versteht sich, dass die geschilderten Möglichkeiten, die vom Arbeitsraum 8 angesaugte Frischluft bzw. Frischladung zu steuern, primär für ottomotorischen Betrieb erforderlich sind und bei dieselmotorischem Betrieb entfallen können oder derart angewendet werden, dass keine erhöhte Kompressionsarbeit verrichtet wird. Das Drosselventil 54 oder ein im Zufuhrkanal 34 angeordnetes Ventil können als Schlauchventil ausgebildet sein, dessen Durchströmquerschnitt durch Quetschen veränderbar ist.It is understood that the described possibilities to control the sucked fresh air or fresh charge from the working space 8, are primarily required for Otto engine operation and can be omitted in diesel engine operation or be applied in such a way that no increased compression work is performed. The throttle valve 54 or a valve arranged in the supply channel 34 may be formed as a tube valve whose flow area is changeable by squeezing.
Die erfindungsgemäße integrierte Aufladung kann an jedwelcher Art von Viertakthubkolben- brennkraftmaschine eingesetzt werden, beispielsweise Otto-Motoren mit Saugrohreinspritzung, direkter Einspritzung oder Dieselmotoren mit Direkteinspritzug usw. Die erfindungsgemäße Aufladung sorgt für ein spontan verfügbares hohes Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen. Sie kann gegebenenfalls durch eine Abgasturboaufladung ergänzt werden, wenn sehr hohe Ladedrücke erforderlich sind. Der geschilderte Doppelkurbeltrieb ist eine einfache Möglichkeit, eine Linearführung des Schaftes 12 herbeizuführen, wodurch eine öldichte Trennung zwischen Kurbelraum und Verdichtungsraum möglich ist. Zusätzlich wird wegen der veränderten Beziehung zwischen der Stellung des Kolbens und der Drehstellung der Kurbelwelle ein besserer Wirkungsgrad erzielt.The integrated charge according to the invention can be used on any type of four-stroke stroke piston internal combustion engine, for example gasoline engines with intake manifold injection, direct injection or diesel engines with direct injection, etc. The charging according to the invention provides spontaneously available high torque even at low speeds. If necessary, it can be supplemented by an exhaust gas turbocharger if very high boost pressures are required. The described double crank drive is an easy way to bring about a linear guide of the shaft 12, whereby an oil-tight separation between the crank chamber and compression chamber is possible. In addition, a better efficiency is achieved because of the changed relationship between the position of the piston and the rotational position of the crankshaft.
Der Doppelkurbeltrieb kann durch einen anderen Kurbeltrieb, beispielsweise einen mit Gleitstein arbeitenden Kurbelschleifentrieb ersetzt werden, der eine lineare Bewegung des Kolbenschaftes durch die Öffnung in der Trennwand ermöglicht.The double crank drive may be replaced by another crank drive, such as a slider-type crank-wheel drive, which allows linear movement of the piston shaft through the opening in the bulkhead.
Fig. 3 zeigt einen Wirbelerzeuger zur Abscheidung von in der Frischluft enthaltenen Partikeln, mit Hilfe dessen die durch einen herkömmlichen Luftfilter bedingten Strömungswiderstände vermindert werden können.Fig. 3 shows a vortex generator for the separation of particles contained in the fresh air, with the help of which the conditional by a conventional air filter flow resistance can be reduced.
Gemäß Fig. 3 weist ein Zyklon 72 ein insgesamt zylindrisches Gehäuse 74 auf, das in seinem unteren Bereich im Durchmesser erweitert ist und in dessen Bodenwand einen in die Achse des Zylinders einragenden Strömungskörper 76 aufweist. Ein Einlass 77 führt exzentrisch bzw. tangential in den erweiterten unteren Bereich des Zyklons 72.3, a cyclone 72 has a generally cylindrical housing 74, which is widened in its lower portion in diameter and in the bottom wall has a projecting into the axis of the cylinder flow body 76. An inlet 77 leads eccentrically or tangentially into the extended lower region of the cyclone 72.
Das Gehäuse 74 ist zumindest in Teilbereichen doppelwandig ausgeführt, wobei die innere Wand 78, die beispielsweise aus Blech besteht, durch Ausstanzungen gebildete Lappen aufweist, die zur Außenwand hin oder einwärts vorstehen, so dass tangential an der Innenwand entlang strömende Luft infolge der Lappen in den Zwischenraum zwischen der Innenwand 78 und der Außenwand gerichtet wird. Aus den Zwischenräumen zwischen der Innenwand 78 und der Außenwand führen Auslässe 80 heraus, die Speichervolumina bilden, welche periodisch oder permanent entleert werden.The housing 74 is double-walled, at least in some areas, wherein the inner wall 78, which consists for example of sheet metal, formed by punching tabs projecting towards the outer wall or inwardly, so that tangentially to the inner wall along flowing air due to the lobes in the Space between the inner wall 78 and the outer wall is directed. From the spaces between the inner wall 78 and the outer wall exit outlets 80, which form storage volumes, which are emptied periodically or permanently.
Die Funktion des Zyklons 72 ist wie folgt:The function of the cyclone 72 is as follows:
Luft strömt durch den tangentialen Einlass 77 in den erweiterten unteren Bereich des Gehäuses 74 ein und gerät dort, unterstützt durch den Strömungskörper 76 in eine umlaufende schraubenförmige Strömung, deren Rotationsgeschwindigkeit sich gemäß Fig. 4 nach oben in Folge des enger werdenden Querschnitts des Gehäuses 74 vergrößert. In der Luft enthaltene Partikel konzentrieren sich in Folge ihrer höheren Dichte außen in der Strömung und gelangen in den Bereich zwischen der Innenwand 78 und der äußeren Wand des Gehäuses 74. In Folge der Schwerkraft fallen diese Partikel dann nach unten und sammeln sich in den Auslässen 80, von wo aus sie entsorgt werden.Air flows through the tangential inlet 77 into the extended lower portion of the housing 74 and there, supported by the flow body 76 in a circumferential helical flow, the rotational speed of FIG. 4 increases upward due to the narrowing cross-section of the housing 74 , Airborne particles As a result of their higher density, they concentrate outward in the flow and enter the area between the inner wall 78 and the outer wall of the housing 74. As a result of gravity, these particles then fall down and collect in the outlets 80 from where they originate be disposed of.
Ein solcher Zyklon 72 kann beispielsweise unmittelbar im Frischlufteinlass der Brennkraftmaschine anstelle des Wirbelerzeugers 70 angebracht werden, wo er einen Luftfilter ersetzt oder stromoberhalb des Luftfilters angeordnet ergänzt, so dass der Luftfilter mit geringerem Strömungswiderstand ausgebildet werden kann. Es versteht sich, dass der beispielhaft beschriebene Wirbelerzeuger vielfältig abgeändert werden kann. Weiterhin können Wirbelerzeuger ohne die Möglichkeit zur Partikelabscheidung an Stellen eingefügt werden, an denen eine Wirbelerzeugung aus anderen Gründen vorteilhaft ist, wie stromoberhalb des gekühlten Pufferbehälters für einen besseren Wärmetausch oder stromoberhalb des Einlassventils für eine bessere Verbrennung im Brennraum.Such a cyclone 72 may for example be mounted directly in the fresh air inlet of the internal combustion engine instead of the vortex generator 70, where it replaces an air filter or arranged upstream upstream of the air filter, so that the air filter can be formed with lower flow resistance. It is understood that the vortex generator described by way of example can be varied in many ways. Furthermore, vortex generators without the possibility of particle separation may be inserted at locations where vortex generation is advantageous for other reasons, such as upstream of the cooled buffer vessel for better heat exchange or upstream of the intake valve for better combustion in the combustion chamber.
Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei für Teile der Fig. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.Fig. 4 shows a modified embodiment of an internal combustion engine according to the invention, wherein for parts of Fig. 1 corresponding parts are the same reference numerals.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist die Maschine gemäß Fig. 3 einen weiteren Zylinder 82 auf, in dem ein Verdichter kolben 84 arbeitet, der an dem durch den Boden des Kurbelgehäuses 16 unter Abdichtung hindurchgeführten Schaft 12 befestigt ist. Beidseitig des Verdichterkolbens 84 sind in dem Zylinder 82 Verdichtungsräume 86, 88 ausgebildet, die über Einlassventile mit der Umgebung und über Auslassventile 94, 96 mit dem Pufferbehälter 48 verbunden sind. Die Einlassventile und Auslassventile können einfache Rück- schlagventile sein.In contrast to the embodiment of FIG. 1, the machine according to FIG. 3, a further cylinder 82 in which a compressor piston 84 operates, which is fixed to the guided through the bottom of the crankcase 16 under seal shaft 12. On both sides of the compressor piston 84 compression chambers 86, 88 are formed in the cylinder 82, which are connected via inlet valves with the environment and via outlet valves 94, 96 with the buffer tank 48. The intake valves and exhaust valves may be simple check valves.
Der Zylinder 2 weist im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens 4 angeordnete Überströmschlitze 98 auf, die im unteren Bereich des Totpunktes des Kolbens 4 eine Verbindung zwischen dem Verdichtungsraum 14 und dem Arbeitsraum 8 freigeben. In einem anderen Umfangsbereich ist die Innenwand des Zylinders 2 kurz oberhalb des Totpunktes des Kolbens mit Auslassschlitzen 100 versehen, die in den Auslasskanal 58 münden. Im Auslasskanal 58 arbeitet ein Ventil 102.The cylinder 2 has arranged in the region of the bottom dead center of the piston 4 Überströmschlitze 98 which release a connection between the compression chamber 14 and the working space 8 in the lower region of the dead center of the piston 4. In another peripheral region, the inner wall of the cylinder 2 is provided shortly above the dead center of the piston with outlet slots 100, which open into the outlet channel 58. In the outlet passage 58, a valve 102 operates.
Die Funktion des Motors, der im Zweitaktbetrieb arbeitet, ist folgende:The function of the engine operating in two-stroke mode is as follows:
Es sei angenommen, der Kolben 4 befinde sich, wie in Fig. 4 dargestellt, in seinem UT. Das Ventil 40 und das Ventil 102 sind offen. Sobald die Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 einsetzt, wird das Ventil 40 geschlossen und kurz danach auch das Ventil 102. Das Ventil 38, das ein einfaches Rückschlagventil sein kann, öffnet, so dass der Verdichtungsraum 14 Luft ansaugt und in den Arbeitsraum 8 eingeströmte Frischluft komprimiert wird. Die Überströmschlitze 98 schließen, sobald sie vom Kolben 4 nicht mehr überfahren sind und infolge des Schließens des Ventils 102 ist der Arbeitsraum 8 vom Auslasskanal 58 getrennt. Bei weiterer Fortsetzung des Aufwärtshubs des Kolbens wird Luft aus dem Verdichtungsraum 86 in den Pufferbehälter 48 ausgestoßen und Frischluft in den Verdichtungsraum 88 eingesaugt. Nachdem der Kolben seinen UT erreicht hat, setzt der Arbeitshub durch Zünden der über dem Kolben 4 befindlichen Ladung (ein Einspritzsystem und eine Zündkerze bei ottomotorischem Betrieb sind nicht dargestellt). Während der Abwärtsbewegung des Kolbens, während der das Ventil 40 bereits geöffnet werden kann, wird in den Verdichtungsraum 14 angesaugte Luft komprimiert und in den Ver- dichtungsraum 88 eingesaugte Luft in den Pufferbehälter 48 gefördert. Kurz vor Erreichen des UT wird das Ventil 102 geöffnet, so dass, wenn der Kolben die Auslassschlitze 100 freigibt, verbrannte Ladung durch den Auslasskanal 58 ausgestoßen werden kann. Sobald die Überströmschlitze 98 überfahren werden, wird die Verbindung vom Verdichtungsraum 14 zum Arbeitsraum 8 freigegeben, so dass die von dem Verdichterkolben 84 geförderte Luft und die in dem Verdichtungsraum 14 befindliche komprimierte Luft in den Arbeitsraum 8 überströmen und für einen neuen Arbeitshub zur Verfügung stehen. Insgesamt wird während eines Arbeitszyklus (Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 4) somit das Hubvolumen des Verdichtungsraums 14 und die Hubvolumina der Verdichtungsräume 86 und 88 gefördert, so dass im dargestellten Beispiel bei Gleichheit aller Hubvolumina in erster Näherung bei Vernachlässigung thermischer Effekte und Strömungsverlusten ein Ladedruck in Höhe des dreifachen Umgebungsdrucks erzielt wird. Für die Steuerung des Ladedruckes und der Last gibt es wiederum unterschiedlichste Möglichkeiten, die nicht näher erläutert werden.It is assumed that the piston 4 is in its BDC, as shown in FIG. The valve 40 and the valve 102 are open. As soon as the upward movement of the piston 4 begins, the valve 40 is closed and shortly thereafter the valve 102. The valve 38, which may be a simple check valve, opens, so that the compression chamber 14 sucks in air and compressed into the working space 8 fresh air is compressed , The overflow slots 98 close as soon as they are no longer run over by the piston 4 and as a result of the closing of the valve 102, the working chamber 8 is separated from the outlet channel 58. Upon further continuation of the upstroke of the piston, air is expelled from the compression space 86 into the buffer tank 48, and fresh air is sucked into the compression space 88. After the piston has reached its UT, the power stroke continues by igniting the charge located above the piston 4 (an injection system and a spark plug in Otto engine operation are not shown). During the downward movement of the piston, during which the valve 40 can already be opened, air sucked into the compression chamber 14 is compressed and air sucked into the compression chamber 88 is conveyed into the buffer container 48. Shortly before reaching UT, the valve 102 is opened so that when the piston releases the exhaust ports 100, burnt charge may be expelled through the exhaust passage 58. As soon as the overflow slots 98 are run over, the connection from the compression chamber 14 to the working chamber 8 is released, so that the air conveyed by the compressor piston 84 and the compressed air located in the compression chamber 14 flow into the working space 8 and are available for a new working stroke. Overall, during one working cycle (up and down movement of the piston 4) thus the stroke volume of the compression chamber 14 and the stroke volumes of the compression chambers 86 and 88 promoted, so that in the example shown with equality of all stroke volumes in the first approximation in neglecting thermal effects and flow losses a boost pressure is achieved in the amount of three times the ambient pressure. For the control of the boost pressure and the load, there are in turn a variety of options that are not explained in more detail.
Der Motor gemäß Fig. 4 kann vielfältig abgewandelt werden. Beispielsweise ist ein Zweitaktbe- trieb auch möglich, wenn in der Mündung des Einlasskanals in den Arbeitsraum 8 ein Ventil ähnlich der Fig. 1 angeordnet ist. Auch die Auslassschlitze 100 mit dem zusätzlichen Ventil 102 können durch ein Auslassventil gemäß Fig. 1 ersetzt werden, so dass der Motor vollständig kopfgesteuert sein kann.The engine according to FIG. 4 can be varied in many ways. For example, a two-stroke operation is also possible if a valve similar to that of FIG. 1 is arranged in the mouth of the inlet channel into the working space 8. Also, the exhaust ports 100 with the additional valve 102 may be replaced by an exhaust valve of FIG. 1 so that the engine may be fully head-controlled.
Weiter ist es möglich, den Motor gemäß Fig. 1 mit einer Aufladung, wie sie durch den Zylinder 82 möglich ist, zu ergänzen.Further, it is possible to supplement the engine of FIG. 1 with a charge, as is possible by the cylinder 82.
Der erfindungsgemäße Motor kann mehrere beispielsweise hintereinander angeordnete Zylinder aufweisen. Die in den einzelnen Zylindern verdichtete Luft kann den einzelnen Zylindern zuge- ordnet werden oder durch ein Sammelvolumen, z. B. einen Pufferbehälter geführt werden, der zumindest einer Gruppe von Zylindern gemeinsam ist.The engine according to the invention may have a plurality of, for example, successively arranged cylinder. The compressed in the individual cylinders air can be assigned to the individual cylinders or by a collecting volume, eg. B. a buffer container are performed, which is common to at least one group of cylinders.
Insgesamt können die unterschiedlichen erläuterten Merkmale in unterschiedlichster Weise miteinander kombiniert werden, solange eine integrierte Aufladung erzielt wird, d.h. eine Aufla- düng, die unmittelbar durch die Bewegung des Kolbens 4 bzw. eines weiteren mit dem Kolben 4 bewegungsübertragend verbundenen Verdichterkolbens 84 erzielt wird. Die einzelnen Verdichtungsvolumina müssen nicht einander gleich sein. Auch können mehrere Verdichtungsstufen durch Anordnung mehrerer Zylinder 82 vorgesehen werden.Overall, the different illustrated features can be combined in a variety of ways with each other as long as an integrated charge is achieved, i. a Aufla- fertilg, which is achieved directly by the movement of the piston 4 and another with the piston 4 motion transmitting connected compressor piston 84. The individual compaction volumes do not have to be the same. Also, several compression stages can be provided by arranging a plurality of cylinders 82.
Figur 5 zeigt eine Eigenart des Doppelkurbeltriebs, die auf unterschiedliche Weise vorteilhaft genutzt werden kann:FIG. 5 shows a characteristic of the double-crank drive, which can be advantageously used in different ways:
In Figur 5 sind die Kurbelscheiben des Doppelkurbeltriebs schematisch dargestellt und mit 22 und 24 bezeichnet. Die Drehkreise, auf denen sich die Anlenkpunkte der Pleuel 30 und 32 um die Mittelpunkte M der Kurbelscheiben 22 und 24 bewegen, sind gestrichelt eingezeichnet. Die Pleuel 30 und 32 sind im oberen Totpunkt OT des Kolbens bzw. von dessen Schaft 12 mit durchgehenden Linien eingezeichnet und im unteren Totpunkt UT des Kolbens strichpunktiert eingezeichnet. Wie ersichtlich, beträgt der Drehwinkel, um den sich die Kurbelscheiben 22 bei der durch Pfeile dargestellten Drehrichtung drehen, damit der Kolben vom OT zum UT kommt, deutlich mehr als 180°. Genauer ist dieser Drehwinkel abhängig von dem Winkel α, den die Pleuel im oberen Totpunkt mit einer Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten M der Kurbelscheiben 22 und 24 bzw. einer die Achsen der Kurbelscheiben 22 und 24 enthaltenden Ebene bilden. Wenn der Winkel α etwa 20° beträgt, beträgt der Drehwinkel vom OT zum UT in der dargestellten Drehrichtung etwa 220°. Mit größer werdendem Winkel α nimmt der Drehwinkel ab und liegt bei einem α von 30° etwa bei 210° und bei einem α von 40° etwas über 200°.In Figure 5, the crank disks of the double crank drive are shown schematically and designated 22 and 24. The turning circles on which the pivot points of the connecting rods 30 and 32 move about the centers M of the crank disks 22 and 24 are shown in dashed lines. The connecting rods 30 and 32 are shown in top dead center TDC of the piston or of its shaft 12 with solid lines and dash-dotted lines in bottom dead center UT of the piston. As can be seen, the angle of rotation by which the crank disks 22 in the turn by turning the arrows so that the piston moves from the TDC to the TDC, well over 180 °. More precisely, this angle of rotation is dependent on the angle α which the connecting rods form at top dead center with a connecting line between the centers M of the crank disks 22 and 24 or a plane containing the axes of the crank disks 22 and 24. If the angle α is about 20 °, the angle of rotation from TDC to TDC in the illustrated direction of rotation is about 220 °. As the angle α increases, the angle of rotation decreases and is approximately 210 ° at an α of 30 ° and slightly above 200 ° at an α of 40 °.
Zweckmäßige Werte für α liegen zwischen etwa 20° und 45°, je nach Art und Auslegung der Brennkraftmaschine.Appropriate values for α are between about 20 ° and 45 °, depending on the type and design of the internal combustion engine.
Bei der in Figur 5 dargestellten Drehrichtung der Kurbelscheiben 22 und 24 kann die zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt liegende Arbeitsphase einer Hubkolbenbrenn- kraftmaschine somit auf einen Kurbelwinkel von deutlich über 180° bis zu 220° und darüber ver- längert werden. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei einem Zweitaktmotor mit zwei Kolben, die um 180° versetzt zueinander, also gegenphasig arbeiten, ständig einer der Kolben in einem Arbeitstakt bzw. in einer Arbeitsphase sein kann, in der er in Folge von Verbrennungswärme erzeugte Arbeit an den Kurbeltrieb abgibt. Somit kann bei einer Zweizylinderzweitaktbrenn- kraftmaschine bereits mit zwei Zylindern ein außerordentlich gleichmäßiger Lauf erreicht wer- den. Eine solche Zweitaktbrennkraftmaschine kann beispielsweise derart ausgebildet werden, dass Ihr Auslassventil nicht, wie bei der Brennkraftmaschine gemäß Figur 4, durch einen Schlitz gebildet ist, sondern durch ein zweckentsprechend gesteuertes gesondertes Auslassventil, beispielsweise Tellerventil, im Zylinderkopf.In the direction of rotation of the crank disks 22 and 24 shown in FIG. 5, the working phase of a reciprocating internal combustion engine lying between the top dead center and the bottom dead center can thus be extended to a crank angle of significantly more than 180 ° and up to 220 ° and more. This leads to the fact that, for example, in a two-stroke engine with two pistons, the 180 ° offset from each other, ie working in opposite phases, one of the piston in a working cycle or in a working phase can be constantly in which he generated as a result of combustion heat work on the Crank drive outputs. Thus, in a two-cylinder two-stroke internal combustion engine, even with two cylinders, extremely uniform running can be achieved. Such a two-stroke internal combustion engine, for example, be designed such that your exhaust valve is not, as in the internal combustion engine of Figure 4, formed by a slot, but by a properly controlled separate outlet valve, such as poppet valve, in the cylinder head.
Bei einer Viertaktbrennkraftmaschine kann aus ähnlichen Gründen bei vier Zylindern, deren Kolben um jeweils 90° versetzt zueinander arbeiten, oder bereits bei einer Dreizylinderbrenn- kraftmaschine, deren Kolben jeweils um 120° versetzt zueinander arbeiten, ein außerordentlich komfortabler runder Lauf erzielt werden.In a four-stroke internal combustion engine can be achieved for similar reasons with four cylinders whose pistons offset by 90 ° to each other, or even in a three-cylinder internal combustion engine, the piston offset by 120 ° to each other, an extremely comfortable round run can be achieved.
Wenn der in Figur 5 skizzierte Doppelkurbeltrieb mit entgegengesetzter Laufrichtung der Kurbelscheiben eingesetzt wird, ist die Expansionsphase vom OT zum UT entsprechend verkürzt und die Ansaug- bzw. Kompressionsphase vom UT zum OT entsprechend verlängert. Auch diese Drehrichtung ist je nach thermodynamischen Bedingungen der Verbrennung und den Strö- mungsverhältnissen vorteilhaft einsetzbar, beispielsweise bei nicht aufgeladenen Motoren, auch Dieselmotoren, für deren Füllung ein langer Zeitraum günstig ist.If the double crank drive sketched in FIG. 5 is used with the crankshaft running in the opposite direction, the expansion phase from the TDC to the TDC is shortened accordingly and the intake or compression phase from the BDC to the TDC is extended accordingly. This direction of rotation also depends on the thermodynamic conditions of the combustion and the flow mungsverhältnissen used advantageously, for example, in non-supercharged engines, including diesel engines, for the filling of a long period is favorable.
Ein weiterer Vorteil, der mit der Basisauslegung des Kurbeltriebs gemäß den Figuren 1 und 5 erzielt wird, liegt darin, dass die Pleuel im Wesentlichen nur auf Zug beansprucht werden, weil der Anlenkpunkt der Pleuel an dem Kolbenschaft sich ständig unterhalb der Verbindungslinie der Mittelpunkte der Kurbelscheiben befindet. A further advantage achieved with the basic design of the crank mechanism according to FIGS. 1 and 5 is that the connecting rods are essentially stressed only because the point of connection of the connecting rods on the piston shaft is constantly below the line connecting the centers of the crank disks located.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
2 Zylinder 60 Kühler2 cylinders 60 coolers
4 Kolben 61 Kühlkanal4 pistons 61 cooling channel
6 Zylinderkopf 62 Abblasventil6 cylinder head 62 blow-off valve
8 Arbeitsraum 64 Rückschlagventil8 working space 64 non-return valve
10 Bodenwand 70 Wirbelerzeuger10 bottom wall 70 vortex generator
12 Schaft 72 Zyklon12 shaft 72 cyclone
14 Verdichtungsraum 74 Gehäuse14 compression chamber 74 housing
16 Kurbelgehäuse 76 Strömungskörper16 crankcase 76 flow body
18 Kurbelwelle 77 Einlass18 crankshaft 77 inlet
20 Kurbelwelle 78 innere Wand20 crankshaft 78 inner wall
22 Kurbelscheibe 80 Auslass22 crank disc 80 outlet
24 Kurbelscheibe 82 Zylinder24 crank disc 82 cylinder
26 Umfangsverzahnung 84 Verdichterkolben26 Peripheral teeth 84 Compressor pistons
28 Umfangsverzahnung 86 Verdichtungsraum28 Peripheral toothing 86 Compaction space
30 Pleuel 88 Verdichtungsraum30 connecting rod 88 compression chamber
32 Pleuel 90 Einlassventil32 connecting rods 90 inlet valve
34 Zufuhrkanal 92 Einlassventil34 supply channel 92 inlet valve
36 Abfuhrkanal 94 Auslassventil36 discharge channel 94 outlet valve
38 Zufuhrventil 96 Auslassventil38 supply valve 96 exhaust valve
40 Abfuhrventil 98 Überströmschlitze40 discharge valve 98 overflow slots
42 Ventilscheibe 100 Auslassschlitz42 valve disc 100 outlet slot
44 Zufuhrschlitz 102 Ventil44 feed slot 102 valve
46 Abfuhrschlitz46 discharge slot
48 Pufferbehälter48 buffer tank
50 Einlassventil50 inlet valve
52 Einlasskanal52 inlet channel
54 Steuerventil54 control valve
56 Auslassventil56 exhaust valve
58 Auslasskanal58 exhaust duct
59 Zündkerze 59 spark plug

Claims

Ansprüche claims
1. Brennkraftmaschine mit integrierter Aufladung, enthaltend wenigstens einen Zylinder (2), in dem ein Kolben (4) unter Bildung eines Arbeitsraumes (8) zwi- sehen einer Seite des Kolbens und einem Zylinderkopf (6) und unter Bildung eines Verdichtungsraumes (14) auf der anderen Seite des Kolbens hin- und her beweglich ist, einen mit dem Kolben (4) verbundenen, zumindest teilweise im Verdichtungsraum (14) angeordneten Schaft (12), der mit einem Kurbeltrieb (18, 20) zur Umwandlung der Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung wenigstens einer Kurbelwelle (18, 20) verbunden ist, wenigstens ein in einem Einlass in den Arbeitsraum (8) angeordnetes Einlassventil (50), einen in den Verdichtungsraum (14) führenden Zufuhrkanal (34), in dem ein Zufuhrventil (38) angeordnet ist, und einen den Verdichtungsraum (14) mit dem Einlass in den Arbeitsraum verbindenden Abfuhrka- nal (36), in dem ein Abfuhrventil (40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Kolben (4) verbundene Schaft (12) unter Abdichtung durch die Bodenwand (10) des Zylinders (2) linear hin- und her beweglich hindurch geführt ist, der Kurbeltrieb derart ausgebildet ist, dass er die lineare Hin- und Herbewegung des Schaftes in die Drehbewegung der wenigstens einen Kurbelwelle (18, 20) umwandelt, und der Verdichtungsraum (14) auf seiner vom Kolben (4) abgewandten Seite durch eine Bodenwand (10) des Zylinders begrenzt ist.1. Internal combustion engine with integrated charging, comprising at least one cylinder (2), in which a piston (4) to form a working space (8) between see one side of the piston and a cylinder head (6) and to form a compression chamber (14) on the other side of the piston back and forth, one with the piston (4) connected, at least partially in the compression space (14) arranged shaft (12) with a crank mechanism (18, 20) for converting the back and forth Movement of the piston in a rotational movement of at least one crankshaft (18, 20) is connected, at least one in an inlet into the working space (8) arranged inlet valve (50), in the compression space (14) leading supply channel (34) in which a Supply valve (38) is arranged, and a discharge chamber (36) connecting the compression space (14) with the inlet into the working space, in which a discharge valve (40) is arranged, characterized in that the associated with the piston (4) a shank (12) is guided linearly reciprocatingly under sealing by the bottom wall (10) of the cylinder (2), the crank mechanism is designed such that it controls the linear reciprocating movement of the shank into the rotational movement of the at least one Crankshaft (18, 20) converts, and the compression chamber (14) on its side facing away from the piston (4) side by a bottom wall (10) of the cylinder is limited.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) ins- gesamt scheibenförmig ist.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the piston (4) is disc-shaped overall.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im Viertaktbetrieb betrieben wird und das Einlassventil (50) und ein Auslassventil (56) im Zylinderkopf (6) angeordnet sind.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the internal combustion engine is operated in four-stroke operation and the inlet valve (50) and an outlet valve (56) in the cylinder head (6) are arranged.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im Zweitaktbetrieb betrieben wird, das Einlassventil durch wenigstens eine im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens (4) freigegebene, in der Zylinderwand ausgebildete Überströmöffhung (98) gebildet ist, die vom Verdichtungsraum (14) in den Arbeitsraum (8) fuhrt, ein Auslassventil durch eine vor dem unteren Totpunkt des Kolbens (4) freigegebene, durch die Zylinderwand hindurchführende Auslassöffhung (100) gebildet ist, und der Kolben (4) mit einem sich in einem Verdichtungszylinder (82) hin- und herbewegenden Verdichtungskolben (84) verbunden ist, wobei der Verdichtungskolben im Verdichtungszylinder wenigstens an eine Verdichtungskammer (86, 88) grenzt, die über je ein Ventil (90, 92) mit der Umgebung und je ein weiteres Ventil (94, 96) mit dem Verdichtungsraum (14) verbunden ist.4. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the internal combustion engine is operated in two-stroke operation, the inlet valve by at least one in Formed at the bottom dead center of the piston (4), formed in the cylinder wall Überströmöffhung (98) which leads from the compression chamber (14) in the working space (8), an exhaust valve by a before the bottom dead center of the piston (4) released , the outlet opening (100) passing through the cylinder wall is formed, and the piston (4) is connected to a compression piston (84) reciprocating in a compression cylinder (82), the compression piston in the compression cylinder being connected at least to a compression chamber (86, 88) which is connected via a respective valve (90, 92) with the environment and a respective further valve (94, 96) with the compression space (14).
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb als Doppelkurbeltrieb mit zwei gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehenden Kurbelwellen (18, 20) ausgebildet ist, die mit dem Schaft (12) über je ein Pleuel (30, 32) verbunden sind.5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the crank mechanism is designed as a double crank drive with two oppositely rotating at the same speed crankshafts (18, 20) with the shaft (12) via a connecting rod (30, 32nd ) are connected.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (12) des Kolbens (4) zwischen den Kurbelwellen (18, 20) hindurchführt und mit den Pleueln (30, 32) auf der vom Kolben (4) abgewandten Seite der Kurbelwellen verbunden ist.6. Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the shaft (12) of the piston (4) passes between the crankshafts (18, 20) and with the connecting rods (30, 32) on the side facing away from the piston (4) of the crankshafts connected is.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass strömungsoberhalb des Einlasses ein Pufferbehälter (48) angeordnet ist.7. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that upstream of the inlet, a buffer container (48) is arranged.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbehälter (48) gekühlt ist.8. Internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the buffer container (48) is cooled.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbehälter (48) ein Abblasventil (62) aufweist.9. Internal combustion engine according to claim 7 or 8, characterized in that the buffer container (48) has a blow-off valve (62).
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zufuhrventil (38) und das Abfuhrventil (40) durch Schlitze (44, 46) in einer drehbaren Ventil- Scheibe (42) gebildet sind. 10. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the supply valve (38) and the discharge valve (40) through slots (44, 46) in a rotatable valve disc (42) are formed.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfad der dem Arbeitsraum (8) zugeführten Frischluft durch wenigstens einen Wirbelerzeuger (70) führt, der der durch ihn hindurchströmenden Frischluft eine Wirbelströmung mit einer zur Gesamtströmungsrichtung etwa parallelen Achse erteilt.11. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 10, characterized in that the path of the working space (8) supplied fresh air through at least one vortex generator (70), which gives the fresh air passing through it a vortex flow with an axis approximately parallel to the total flow direction axis ,
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelerzeuger (70) als Zyklon (72) zum Abscheiden von in der durch ihn hindurchströmenden Frischluft enthaltenen Partikeln ausgebildet ist.12. Internal combustion engine according to claim 11, characterized in that the vortex generator (70) is designed as a cyclone (72) for separating particles contained in the fresh air flowing through it.
13. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkurbeltrieb derart angelegt ist, dass der Drehwinkel der Kurbelscheiben (22, 24) vom OT des Kolbens (4) zum UT größer als 180° ist.13. Internal combustion engine according to claims 5 or 6, characterized in that the double crank drive is applied such that the rotational angle of the crank disks (22, 24) from the TDC of the piston (4) to the UT is greater than 180 °.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere KoI- ben-/Zylindereinheiten vorgesehen sind, die derart phasenversetzt zueinander arbeiten, dass ständig wenigstens eine der Kolben-/Zylindereinheiten Arbeit an den Kurbeltrieb abgibt.14. Internal combustion engine according to claim 13, characterized in that a plurality of piston ben- / cylinder units are provided which operate in phase with each other so that constantly at least one of the piston / cylinder units emits work on the crank mechanism.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkurbeltrieb derart ausgelegt ist, dass die Pleuel (30, 32) im OT des Kolbens (4) mit einer Ebene durch die Achsen der Kurbelscheiben (22, 24) einen Winkel zwischen 20° und 45° bilden. 15. Internal combustion engine according to claim 6, characterized in that the double crank drive is designed such that the connecting rods (30, 32) in the TDC of the piston (4) with a plane through the axes of the crank disks (22, 24) an angle between 20 ° and 45 ° form.
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