DE2823448A1

DE2823448A1 - Viertakt-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2823448A1
Application number: DE19782823448
Authority: DE
Inventors: William D Guenther
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1979-12-06

Description

5324

Γ PATENTANWÄLTE ~~l

DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

DANA Corporation Toledo Ohio / USA

"Viertakt-Brennkraftmaschine"

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Der Trend in der Ausbildung von Brennkraftmaschinen geht ständig dahin, höhere Leistungen bei vorgegebenem Kolbenhub, vorgegebener Größe und vorgegebenem Gewicht zu erzielen. Außerdem ist gleichzeitig die Brennstoffausnutzung in vielen Anwendungsfällen ein wichtiger Gesichtspunkt. Es ist für den Fachmann allgemein bekannt, daß eine typische Zweitaktmaschine bedeutend mehr PS pro Volumenverschiebung bei vorgegebener Drehzahl liefert als jede Viertaktmaschine mit natürlicher Ansaugung, daß jedoch eine solche Maschine einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad zeigt. Aufgeladene Viertaktmaschinen bilden dagegen eine Art Kompromiß, indem sie mehr Kraft pro Gewichtseinheit als übliche

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Viertaktraaschinen und eine bessere Brennstoffausnutzung als Zweitaktmaschinen liefern. Aufladevorrichtungen sind jedoch für gewöhnlich teuer und werden daher im wesentlichen nur bei Renn- oder Sportwagen angewendet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 so weiterzubilden, daß auch mit dieser Maschine eine vergleichsweise bessere Brennstoffausnützung und eine höhere Leistung pro Gewichtseinheit erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst.

Bei der neuen Viertakt-Brennkraftmaschine wird ein abgestufter Kolben verwendet, der einen ersten Abschnitt aufweist, welcher in üblicher Weise die bewegliche Wand der Verbrennungskammer, also den Arbeitskolben bildet. Ein im Durchmesser zunehmender Kolbenabschnitt arbeitet in einer angrenzenden und axial in Fluchtung stehenden Bohrung des Zylindergehäuses. Der verbreiterte Kolbenabschnitt ist mit öffnungen und mit Rückschlagventilen versehen. Diese gestatten eine Strömung nur jeweils in einer Richtung, und zwar eines Brennstoff-Luftgemisches von dem Kurbelgehäuse der Maschine in die Verdichtungskammer der Maschine, welche durch den verbreiterten Abschnitt des Kolbens und die Bohrung, in der dieser arbeitet, begrenzt wird. Diese Anordnung sieht zwei Einlaß- und zwei Kompressionshübe des Kompressor-

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mm C a.

kolbens auf jedem gesamten Zyklus der Viertaktmaschine vor. Die Mischung, die in die Kompressionskammer bei dem nach unten gerichteten Hub des abgestuften Kolbens eintritt, wird durch die Rückschlagventile eingefangen und bei dem Aufwärtshub komprimiert und in eine Umgehungsleitung oder eine Sammelvorrichtung geliefert, welche zu dem Einlaßventil des HauptZylinders oder der Verbrennungskammer führt. Die Kompressionseinrichtung nach der Erfindung ist somit wirksam, um jeweils zwei aufgeladene Volumina pro Arbeitszyklus in die Umgehungs-Verteilerleitung zu liefern. Diese Anordnung dient damit als Aufladeeinrichtung und liefert eine einfach gebaute Viertakt-Brennkraftmaschine mit hohem PS-Ausstoß für jede vorgegebene Gewichtseinheit oder VolumenverSchiebung.

Vorteilhafterweise sindäie Volumina von Kompressionskammer und Verbrennungskammer im wesentlichen gleich groß.

Um die Abmessungen der Maschine klein zu halten, ist es zweckmäßig, wenn bei kreisförmigem Querschnitt der Arbeitskolben die Kompressionskolben einen länglichen oder lang-ovalen Querschnitt aufweisen, wobei die kleinste Querschnittsausdehnung im wesentlichem dem Durchmesser des Arbeitskolbens entspricht.

Die Zuführung der Frischluft oder des Gemisches aus Frischluft und Brennstoff zu der Kompressionskammer erfolgt vorteilhafterweise dadurch, daß der Kompressionskolben selbst ein Einlaß-Rückschlagventil aufweist, das in das Kurbelgehäuse mündet und

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in die Kompressionskammer öffnet, wobei das Gemisch oder die Frischluft durch das Kurbelgehäuse zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand scheraatischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 jeweils gleiche Seitenansichten in senkrechtem

Schnitt eines herausgegriffenen Zylinders, wobei der zugehörige Arbeitskolben bei dem Einlaß-, dem Kompressions-, dem Arbeits- und dem Ausstoßtakt gezeigt sind;

Fig. 5 im Ausschnitt einen Querschnitt der Maschine nach

Fig. 1 bis 4 in abgewandelter aber bevorzugter Ausführungsform;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm von der Arbeitsweise der Maschine nach Fig. 1 bis 4;

Fig. 7 eine Teilansicht einer bevorzugten Anordnung von Kolben und Zylinder einer Mehrzylindermaschine nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Seitenansicht des Kolbens und des Zylinders nach Fig. 7» teilweise im Schnitt;

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Fig. 9 eine isometrische Ansicht eines Kolbens nach Fig.

und 8

sowie
Fig. 10 eine Einzelheit für eine bevorzugte Abdichtung der

Kompressionskammer.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt jeder Zylinder, von denen nur einer in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist , einen Kolben 10 mit einem verbreiterten oder abgestuften Abschnitt 12 am unteren Ende. Der Kolben ist so angeordnet, daß er eine Kurbelwelle 12 über den Kurbelarm 16 und den Kurbelzapfen 17 in üblicher Weise antreibt. Der obere Bereich oder Arbeitskolben 10 wird innerhalb eines Brennkammerzylinders 18 hin- und herbewegt und umfaßt Nuten zur Aufnahme oberer und unterer Kolbendichtungsringe 19 und 19a. Der ringförmige erweiterte Abschnitt oder Kompressionskolben 12 wird von dem Arbeitskolbenabschnitt 10 getragen und ist vorzugsweise mit diesem einstückig ausgebildet. Der Kompressionskolben arbeitet in dem erweiterten Zylinderbereich, der durch die Wände 20 begrenzt ist. Der Kompressionskolben umfaßt Durchbrechungen oder Durchgänge für die Zuführung eines Brennstoff-Luftgemisches von dem Kurbelgehäuse 23 der Maschine aus in die Kompressionskammer, die durch die Zylinderwände 20 und den Kompressionskolbenabschnitt 22 sowie die ringförmige Schulter 25 am unteren Ende der Brennkammerwand 18 bestimmt wird. Durch den Schulterbereich 25 gehen Kanäle 26, die durch Rückschlagventile 27 schließbar sind. Es sind wenigstens £weils ein Durchgang 26 und ein Rückschlagventil 27 vor-

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■mumm.

gesehen. Vorzugsweise sind jedoch mehrere solcher Einheiten annähernd gleichförmig um die Schulter 25 angeordnet, und zwar in Abhängigkeit von der Größe und den Arbeitscharakteristiken der betreffenden Maschine.

Die Rückschlagventile 27 öffnen in eine ringförmige Aufnahmeleitung 28, welche oberhalb der Schulter 25 in dem Zylindergehäuse vorgesehen ist und in offener Verbindung mit einer Sammelleitung 29 steht. Das andere Ende der Sammelleitung 29 kann periodisch mit der Brennkammer der Maschine über das Einlaßventil 30 in Verbindung gebracht werden. Das Ventil 30 kann in verschiedenerlei Weisen ausgebildet sein. Für viele Anwendungsfälle ist es bevorzugt, das Ventil als rotierendes Ventil der gezeigten Art auszubilden, um die Vorteile dieses Ventiltyps ausnutzen zu können. Es können aber auch übliche Tellerventile oder andere Ventiltypen verwendet werden, was ganz nach Anwendungsfall und bevorzugten Merkmalen abhängt. Der Ausstoß oder Auslaß aus dem Zylinder wird ebenfalls durch das rotierende Ventil 30 bestimmt, wie dies in Fig. 4 in einem Abschnitt des Ausstoßzyklus angedeutet ist, der selber weiter unten näher erläutert wird.

jedoch
Verbrennungsluft, normalerweise/schon in Form eines LuftrB^ennstoffgemisches, wird von einem Vergaser oder dgl. (nicht gezeigt) über eine Leitung 32 zugeleitet. Bedarfsweise und auch vorzugsweise sind Rückschlagventile 3k vorgesehen, um eine Rückströmung zum Vergaser zu verhindern. Es können auch BrennstoffInjektoren (nicht gezeigt) verwendet werden, um Brennstoff in die Brenn-

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kammer in bekannter Weise einzuspritzen, wie dies z.B. bei Dieselmaschinen der Pail ist.

Eine bevorzugte Anordnung und Ausbildung für den Teil des Maschinenblockes, der die Sammelkammer 28 bestimmt, ist in Einzelheiten in Fig. 5 gezeigt. Der Verbrennungskammerzylinder ist als Teil des Maschinenblockes vorgesehen und von der Außenwand 36 des Maschinenblockes durch die Schulter 25 getragen. Eine nach oben offene ringförmige Kammer 38 wird auf diese Weise gebildet. Mehrere Durchgänge 26 in der Schulter 25 sind mit einem Rückschlagventil 27 versehen, welches in Form einer ringförmigen Scheibe in den Boden der Ausnehmung 28 eingepaßt ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Rückschlagventils 27 umfaßt eine obere Scheibe 27a aus Gummi oder dgl. und eine untere Scheibe 27b aus einem dünnen Federmaterial einer Beryllium-Legierung .

Die innere Umfangsfläche der Scheibe 27 ist an der Schulter 25 durch den Hülsenabschnitt 40, insbesondere durch das zylindrische Ende 41 von verringertem Durchmesser festgeklemmt, welcher Abschnitt gleitend über die Zylinderwand 18 greift. Der Abschnitt 41 endet im oberen Bereich in einer radialen Schulter 42, welche bis zu dem Abschnitt 43 von größerem Durchmesser reicht. Der zylindrische Abschnitt 43 greift mit Gleitsitz in die Außenwand 36 und liegt abdichtend an der Zylinderkopfdichtung 46 des das Ventil enthaltenden Maschinenkopfes 48 an.

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Da die Hülse 40 an jedem Ende abgedichtet ist, teilt sie die Ausnehmung 38 in zwei getrennte Kammern, die Sammelkammer 28 und die ringförmige Kammer 50, welche mit einer Quelle von zirkulierendem Kühlwasser verbunden ist.

Fig. 6 veranschaulicht die Arbeitsweise der Maschine während eines vollständigen Arbeitszyklus. Um die Arbeitsweise der Kompressionsvorrichtung zu erläutern, ist die Arbeitsweise der Maschine von der oberen Totpunktmitte bis zur unteren Totpunktmitte durch einen Bereich von l80° auf dem Zeitdiagramm dargestellt, und zwar im Gegensatz zu einer Darstellung von 360°. Ein voller Verbrennungszyklus umfaßt einen Maschinenansaughub, der allgemein in dem ersten Quadranten I der Zeittafel stattfindet, einen Kompressionshub (Quadrant H)₃ einen Arbeitshub (Quadrant III) und einen Ausstoßhub (Quadrant IV). Die speziell bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die der Zeittafel nach Fig. 6 zugeordnet ist, ist eine Maschine hoher Leistung mit wesentlicher Ventilüberlappung. Insbesondere öffnet das Einlaßventil k2 vor der oberen Totpunktmitte und schließt 70° hinter der unteren Totpunktmitte, während das Auslaßventil 64° vor der unteren Totpunktmitte des Arbeitshubes öffnet und erst 36° hinter der oberen Totpunktmitte des Auslaßhubes schließt.

Die Arbeitsweise der Kompressionsvorrichtung nach der Erfindung ist ebenfalls in Fig. 6 wiedergegeben. Die Rückschlagventile für den Kompressor werden lediglich durch die herrschenden Gasdrücke, Trägheitskräfte und die Kolbenbewegung kontrolliert.

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Das bedeutet, daß diese öffnen und schließen im wesentlichen
in den oberen und unteren Totpunktmittelstellungen des Kolbens.

Es ist ersichtlich, daß der Kompressionsabschnitt der Maschine jeweils zwei Ladungen einer brennbaren Mischung der Verbrennungskammer bei jedem Verbrennungshub zuliefert. Die aus Brennstoff und Gas oder Luft bestehende Mischung in dem Kurbelgehäuse 23 wird typischerweise von einem Vergaser (nicht gezeigt) durch den Kanal 32 zugeleitet und gelangt durch das Rückschlagventil Jk unter im wesentlichen Atmosphärendruck in das Kurbelgehäuse, obwohl
wie oben erwähnt, der Brennstoff auch getrennt in die Brennkammer eingespritzt werden kann.

Es wird angenommen, daß über die Leitung 32 eine Mischung unter Atmosphärendruck aus Brennstoff und Luft dem Kurbelgehäuse zugeführt wird. Der Kompressorbereich wird anfänglich mit einer
Mischung von Atmosphärendruck gefüllt. Zwei "Ladungen" der Kompressorvorrichtung sind der Verbrennungskammer für jeden Ansaughub der Maschine zugeordnet. Geht man davon aus, daß keine Ventilüberlappung vorliegt, so ergibt sich der theoretische Aufladedruck wie folgt:

P_E = 2 χ ^VE χ Atmosphärendruck (lM.7 PSIA)

Hierin ist P_E der Druck in der Verbrennungskammer der Maschine, V„ das Volumen der Verbrennungskammer der Ma*chine und V_n das
Volumen in der Kompressionsvorrichtung.

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Es ist ersichtlich, daß eine Aufladung auftritt bei jeder Maschinengeometrie, sofern das Volumen der Kompressionsvorrichtung größer als die Hälfte des Volumens der Verbrennungskammer ist. Typischerweise ist eine untere Grenze für eine praktische Maschinenausführung ein Kompressionsvolumen, das annähernd Dreiviertel des Volumens der Verbrennungskammer ausmacht.

In der bevorzugten Ausführungsform, wie sie dargestellt ist, sind die Volumina der Verbrennungskammer und der Kompressionsvorrichtung praktisch gleich. Dies führt bei der Annahme, daß keine Ventilüberlappung vorliegt, zu einem theoretischen Aufladedruck von etwa dem doppelten Atmosphärendruck (29 PSIA). In der Praxis wird aufgrund der Ventilzeitsteuerung gemäß Fig. 6 ein Aufladedruck erzielt, der etnas geringer als der theoretische Druck ist. Aber selbst mit der relativ großen Ventilüberlappung, die durch den Abschnitt B in Fig. 6 angedeutet ist, erhält man eine wesentliche Aufladung.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen eine bevorzugte Mehrzylinderanordnung in schematischer Ausführung. Um die Größe und das Gewicht der Maschine zu verkleinern, wird es bevorzugt, zwischen benachbarten Verbrennungszylindern den minimalen Abstand zu verwenden. Zu diesem Zweck ist der Kompress-orkolben in axialer Fluchtung mit den Zylindern von einer Ausdehnung gleich etwa der Ausdehnung des Kolbendurchmessers und erstreckt sich quer zur Maschine. Das bedeutet, daß gemäß Fig. 7 benachbarte Kolben axial nebeneinander angeordnet werden können, ohne daß es notwendig ist, für einen

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zusätzlichen Abstand zur Aufnahme des erweiterten Abschnittes oder Kompressionskolbenabschnittes des Kolbens vorzusehen. Wie Fig. 8 zeigt, ist eine Sammelkammer 28a vorzugsweise oberhalb des verbreiterten Kolbenabschnittes vorgesehen. Verteilerleitungen von geeigneter Art, welche an die gesamte Maschinengeometrie angepaßt sein können, sind vorgesehen, um die Sammelkammern 28a und die Verbrennungskammern zu verbinden. In einigen Anwendungen kann es bevorzugt sein, in dem zylindrischen Körper des Hauptabschnittes des Kolbens unmittelbar oberhalb des abgestuften Abschnittes 17a eine Ausnehmung vorzusehen, so daß nur ein einziger Sammelabschnitt 28a verwendet werden kann.

Fig. 10 veranschaulicht eine bevorzugte Abdichtung für die Verdichterkolben 12 bzw. 12a. Eine Umfangsnut 50 ist im Kolben 12 vorgesehen und weist einen abgestuften Abschnitt 51 von verminderter radialer Tiefe auf. Ein O-Ring 52 aus geeignetem Gummi oder gummiähnlichem Material ist in die Nut 50 eingelegt und liefert eine nachgiebige Vorspannung für ein Dichtelement 53, das in kontinuierlicher Bandform von rechteckförmigem Querschnitt aus Polytetrafluoräthylen oder dgl. besteht.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise wird erneut auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen. In Fig. 1 ist der Kolben in seiner untersten Stellung unmittelbar vor Beginn des Kompressionshubes gezeigt. Während der vorangegangenen l8o° der Kurbelwellenumdrehung hatte sich der Kolben von dem oberen Totpunktzentrum nach unten bewegt, wobei das Rückschlagventil 24 ge-

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öffnet hat, um Luft oder ein Brennstoff-Luftgemiseh aus dem Kurbelgehäuse in den Kompressor einzulassen. Während der gleichen Zeit wurde der Einlaßabschnitt des Drehventils 30 geöffnet und die zuvor in dem Verteiler 29 enthaltene Ladung in den Zylinder 18 angesaugt. In Fig. 2 ist die Kurbelwelle um 90° aus der Stellung nach Fig. 1 verdreht. Die Ventile 24 und 30 sind geschlossen, und der verbreiterte Abschnitt 12 des Kolbens 10 befindet sich auf dem ersten seiner beiden Verdichtungshübe während des Verbrennungszyklus der Maschine, um eine verdichtete Mischung aus Brennstoff und Luft in den Sammel- oder Verteilerkanal 29 durch das nunmehr offene Ventil 27 zu liefern. In Fig. ist die Ladung in dem Hauptzylinder gezündet worden, und der Kolben beginnt seinen nach unten gerichteten Arbeitshub, wobei sieh das Ventil 24 erneut öffnet, um eine frische Ladung aus Luft oder Luft-Brennstoffgemisch in den Verdichter zu lassen. Fig. 4 gibt den Kolben in der oberen Totpunktstellung wieder, und zwar am Ende des Ausstoßhubes des Gesamtzyklus, was zusammenfällt mit der Vollendung des zweiten Kompressionshubes. Somit ist ersichtlich, daß zwei Kompressionshübe des Kompressionskolbens pro Verbrennungszyklus der Maschine auftreten. Es gibt kein kritisches Verhältnis zwischen den Volumina des Kompressors und der Verbrennungskammer der Maschine. Die relativen Volumina können variiert werden, wie es erforderlich ist, um den gewünschten Aufladungsgrad zu erreichen. Das 1 : 1 Verhältnis der Volumina sowie das daraus folgende 2 : 1 Verdichtungsverhältnis sind bevorzugt. Das Volumen des Verteilers beeinflußt die Arbeitsweise in erster Linie, da es die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, daß der

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gleiche gleichbleibende Arbeitsdruck erreicht wird. Wenn das Verteilervolumen relativ klein ist, werden die gleichen Arbeitsdrücke mit weniger Hüben erreicht als mit einem Verteilervolumen, das beispielsweise wesentlich größer ist als das Volumen des Kompressionszylinders. Das Endergebnis ist jedoch für jede vorgegebene Maschine das gleiche, indem der gleiche Druck stets erreicht wird, und zwar unabhängig von der Größe des Verteilervolumens oder der Maschinengeschwindigkeifc. Es ist bevorzugt, daß das Verteilervolumen in der gleichen Größenordnung ist wie das des Verdichters und der Verbrennungskammer.

Es können verschiedene Variationen vorgenommen werden. Wie oben schon kurz erwähnt, kann der Auflader nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden auch im Zusammenhang mit Brennstoffinjektionsmaschinen, und zwar Benzin- oder Dieselmaschinen. Statt eines rotierenden Ventils ist es auch möglich, irgendein anderes dafür geeignetes Ventil zu verwenden. In ähnlicher Weise können die Zeitgebung (Fig. 6), die Größe der Aufladung und andere Merkmale der Gesamtmaschine von den vorgegebenen Werten variieren, ohne daß damit der Umfang der Erfindung verlassen wird.

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Claims

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DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

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Ansprüche

(l] Viertakt-Brennkraftmaschine, bei der jede innere Verbrennungskammer durch einen Zylinder und einen in diesem hin- und herbewegbaren Arbeitskolben begrenzt wird, ein Kurbelgehäuse sowie eine Ventileinrichtung zur Steuerung der Ausstoß-, Ansaug-, Verdichtungs- und Arbeitstakte vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompressionszylinder (20) und ein in diesem abdichtend bewegbarer, von dem Arbeitskolben (10) unterstützter Kompressionskolben (1£) vorgesehen sind, die gemeinsam eine Kompressionskammer begrenzen, welche in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der beiden Kolben abwechselnd mit Frischluft und einer Druckluftsammeieinrichtung (28,29) verbindbar ist, welche ihrerseits mit der Verbrennungskammer (18) während des Ansaughubes des Arbeitskolbens (10) verbindbar ist.
2. Brennkraftmaschine nach Ansprueh 1, dadurch gekennzeichnet, daß das effektive Volumen der Kompressionseinrichtung größer als die Hälfte des Volumens der Verbrennungskammer ist.

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3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina von Kompressionskammer und Verbrennungskammer im wesentlichen gleichgroß sind.
4. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Arbeitskolben einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (12) einen länglichen Querschnitt mit einer kleinsten Ausdehnung im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Arbeitskolbens (10) aufweist.
5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konipressionskolben (12) ein Einlaß-Rückschlagventil (22,24) aufweist, das in das Kurbelgehäuse mündet und in die Kompressionskamner öffnet.
6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kompressionsvolumina des Kompressionskolbens (12) bei jedem Ansaughub des Arbeitskolbens (10) der Verbrennungskammer (18) zuführbar sind.

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