DE102011009546B4

DE102011009546B4 - Viertakt-Brennkraftmaschine mit Vorverdichtung in Zylindern

Info

Publication number: DE102011009546B4
Application number: DE102011009546.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: DE102011009546A1

Abstract

Viertakt- Brennkraftmaschine mit Vorverdichtung in Zylindern, mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern mit Kolben, wobei die Kolben fest miteinander verbunden sind, mit einer Vorverdichtungsvorrichtung für die Verbrennungsluft und Steuermitteln für die Gasströme, wobei die gegenüberliegenden Kolben um 180° phasenverschoben arbeiten und der Hubweg der Kolben über ein Getriebe in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, wobei- die gegenüberliegenden Zylinder als Doppelzylinder mit Doppelkolben (13,16) ausgeführt sind,- die Doppelkolben (13,16) durch Stege (20) fest miteinander verbunden sind und eine Doppelkolbeneinheit (11) bilden- zwei Zylindereinheiten (1, 2) parallel nebeneinander angeordnet sind und die Doppelkolbeneinheiten (11,12) über Exzenter (17,18) auf eine Exzenterwelle (19) wirken,- die Doppelkolben (13,16,14,15) jeweils in separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräumen (7,10,8,9) und Verdichtungs-/ Verbrennungsräumen (3,6,4,5) wirken, wobei jeweils ein Doppelkolben (13,16,14,15) in einem der separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräume (7,8,9,10) sowie Verdichtungs-Verbrennungsräume (3,4,5,6) parallel arbeitet,- der Doppelkolben (13,16,14,15) das jeweils über eine Einströmöffnung angesaugte Gasgemisch oder Kraftstoff-Gasgemisch in den Vorverdichtungs-/Ansaugräumen (7,10,8,9) in einer ersten Stufe auf den gewünschten Grad verdichtet, wobei dieser Vorgang immer in zwei Vorverdichtungs-/Ansaugräumen(10, 8) gleichzeitig erfolgt und die angesaugten Gemische in einer zweiten Stufe je einen Verdichtungs-/ Verbrennungsraum (5) füllen, wobei jeweils zwei Vorverdichtungs-/Ansaugräume (7,8,9,10) wechselnd zwischen den Doppelkolben (13, 16, 14, 15) zum Laden eines Verdichtungs-/ Verbrennungsraumes (3,4,5,6) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise für Viertaktbetrieb, mit zwei nebeneinander angeordneten Zylindern, die jeweils in zwei gegenüberliegenden Verdichtungs-/Verbrennungsräume (Boxeranordnung) und zwei dazwischenliegenden separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräumen geteilt sind. Dabei weist jeder Zylinder zwei gegenüberliegende, starr miteinander verbundene Doppelkolben auf, die gleichzeitig im Verdichtungs-/Verbrennungsraum als auch im Vorverdichtungs-/Ansaugraum wirken und den erzeugten Hub auf einen Exzenter, der auf einer zylindermittig angeordneten Exzenterwelle befestigt ist, überträgt. Das Öffnen und Schließen der Einströmöffnungen in die Verdichtung-/Verbrennungsräume sowie das Zuschalten der Vorverdichtungs-/Ansaugräume erfolgt über eine Wellensteuerung. Diese Wellen haben Schlitze, die das Öffnen und Schließen der Ein- und Ausströmöffnungen gewährleisten.
Brennkraftmaschinen mit nebeneinander angeordneten und in Wirkung stehenden Zylindern sind aus der DE 44 44 767 A1 bekannt geworden. Die Zylinder in Boxeranordnung sind mit Zylinderböden ausgestattet und durch einen Kolben in einen unteren und in einen oberen Zylinderraum geteilt, von denen der untere Zylinderraum der Verdichtung und der obere Zylinderraum der Verdichtung und der Verbrennung dient, wobei jeweils ein unterer und ein oberer Zylinderraum des jeweils anderen Zylinders über Öffnungen mit einem Speicherraum verbunden ist. Im Speicherraum wirkt ein als Hohlzylinder ausgebildeter Steuerschieber in Zylinderlängsachse. Aus der DE 41 40 627 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei parallel nebeneinanderliegenden Zylindern und zwei doppeltwirkende Arbeitskolben, die in den Zylindern auf- und abwärts gleiten und durch einen Kolbenbolzen miteinander verbunden sind, bekannt. Des Weiteren ist ein durch ein Rootsgebläse befüllbarer Druckbehälter vorgesehen. Zur Steuerung der Zylinderbefüllung sind jedem Zylinder Steuerschieber zugeordnet, durch welche Einlassschlitze und Druckluftschlitze, die mit dem Druckbehälter in Verbindung stehen, steuerbar sind. Der Nachteil dieser Lösungen liegt darin, dass die Vorverdichtung des Kraftstoffgasgemisches im
Arbeitszylinderraum, beispielsweise mit der Kolbenunterseite erfolgt. Somit ist der Vorverdichtungsgrad auch bei einem zusätzlichen Speicherraum vom vorgegebenen Zylinderinhalt abhängig. Ein weiterer Nachteil hinsichtlich Laufruhe und Mechanik stellt der dominierende Kurbeltrieb da.
Aufladungen von Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader haben den Nachteil, dass die Aufladung erst bei höheren Drehzahlen wirksam wird.
Die DE 198 39 227 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit verbundenen Doppelkolben, die in einem gegenüberliegenden Doppelzylinder arbeiten und über separate Vorverdichtung-/Ansaugräume verfügen.
Letztlich soll noch auf die WO 2008/010 490 A1 verwiesen werden.
Diese beschreibt einen Zykloiden-Hubkolbenmotor, der eine Kolbeneinheit, die einen Kolben und eine Kolbenstange umfasst, und eine sogenannten Linearkurbel zum linearen Hin- und Herbewegen der Kolbenstange durch einen Planetengetriebemechanismus zur Umwandlung der Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung verwendet. Eine Kombination aus horizontal gegenüberliegenden Zweizylinderanordnungen als Einheitsmotor und horizontal gegenüberliegenden Vierzylindern, die zwei Einheiten als Einheitskomponentenmotor verketten, ist eine vorteilhafte Ausführung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Brennkraftmaschine der eingangsbeschriebenen Art vorzuschlagen, die eine Vorverdichtung bereits bei niedrigen Drehzahlen, unabhängig von Arbeitszylinderinhalt ermöglicht. Weiterhin soll eine mechanisch einfache und kosteneffiziente Kraftübertragung von der Hubbewegung in die Drehbewegung geschaffen werden, um den Verschleiß und die Geräuschentwicklung zu minimieren. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß sind zwei Zylindereinheiten nebeneinander angeordnet, die jeweils in zwei gegenüberliegenden Verdichtungs-/Verbrennungsräume (Boxeranordnung) und zwei dazwischenliegenden separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräumen geteilt sind. Somit ergeben sich vier separate Verdichtungs-/Verbrennungsräume und vier separate Vorverdichtungs-/Ansaugräume. Weiterhin weist jede Zylindereinheit zwei gegenüberliegende, starr miteinander verbundene Doppelkolben, die eine Doppelkolbeneinheit bilden, auf. Die Doppelkolbeneinheit, die gleichzeitig im Verdichtungs-/Verbrennungsraum als auch im Vorverdichtungs-/Ansaugraum wirkt, überträgt den erzeugten Hub über einen Exzenter, der auf einer zylindermittig angeordneten Exzenterwelle befestigt ist, in eine Drehbewegung. Vorteilhafterweise können die zylindrischen Vorverdichtungs-/Ansaugräume und Verdichtungs-/Verbrennungsräume sowie die dazugehörigen Doppelkolbenseiten unterschiedliche Durchmesser aufweisen, was die Einstellung eines optimalen Verdichtungsverhältnisses für die entsprechende Verbrennungsaufgabe ermöglicht. So kann zum Beispiel der Abreissdruck der Einspritzdüsen bei Dieselmotoren wesentlich verringert und somit die Laufruhe und der Verschleiß reduziert werden. Mit dem Doppelkolben kann zudem die Führung in den Zylindern nahezu verschleißfrei gestaltet werden. Auch können Geräusche durch „Kolbenkippen“ nicht entstehen. Das Öffnen und Schließen der Einströmöffnungen für das Gasgemisch oder Kraftstoff-Gasgemisch in die Verdichtungs-/Verbrennungsräume sowie die Vorverdichtungs-/Ansaugräume erfolgt bevorzugt über eine „Wellensteuerung“. Diese Wellen enthalten Schlitze, die das Öffnen und Schließen der Ein- und Ausströmöffnungen gewährleisten. Hier entsteht kein „Schwebezustand“ bei hohen Drehzahlen wie bei einer Ventilsteuerung. Diese Steuerwellen können über mehrere Arten der Steuerung von der Exzenterwelle angetrieben werden, wie Zahnriemen, Steuerkette oder Steuerräder. Die Anordnung der Steuerwellen ist oberhalb der Verdichtungs-/Verbrennungsräume sowie der Vorverdichtungs-/Ansaugräume angebracht.
Das Prinzip kann bei allen bekannten Typen von Motoren, wie Benzin- Diesel- Gasmotoren angewendet werden.
Weitere günstige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der beschriebenen Viertakt- Brennkraftmaschine ist das Motorgehäuse (21) mittig zur Excenterwelle (19) geteilt. Diese Teilung ermöglicht bei der Montage einen einfachen Zugang zu den Doppelkoben (13,16,14,15) und den Zylindern. Die einzelnen Zylinder bestehen aus zwei Teilen, den Innenzylindern (22) und den Außenzylindern (23), wobei die Außenzylinder (23) nach Montage des Motorgehäuses (21) und der Doppelkolben (13,16 und 14,15) jeweils von außen aufgesetzt werden. Bei den vier Doppelkolben (13,16,14,15) werden der Innenkolben (24) und der Außenkolben (25) mittels einer Kolbenverbindungsstange (26) starr verbunden. Auch werden jeweils zwei Doppelkolben (13,16 u. 14,15) bei der Montage fest zu zwei Doppelkolbeneinheiten (11,12) verbunden. Zur Steuerung der Abläufe im Motormanagement wird eine Welle mit Steuerschlitzen eingesetzt, die radial bzw. axial eingebracht sein können.
Die 1 bis 4 zeigen in einer Schnittdarstellung die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine in den ablaufenden Takten.

1 zeigt den Arbeitstakt 1: Verdichtungs-/Verbrennungsraum-1 hat gezündet.
2 zeigt den Arbeitstakt 2: Verdichtungs-/Verbrennungsraum-2 hat gezündet.
3 zeigt den Arbeitstakt 3: Verdichtungs-/Verbrennungsraum-3 hat gezündet.
4 zeigt den Arbeitstakt 4: Verdichtungs-/Verbrennungsraum-4 hat gezündet.

Arbeitstakt-1 (Figur 1)
Im Verdichtungs-/Verbrennungsraum (3) der Zylindereinheit (1) wurde gezündet und die obere Seite des Doppelkolbens (13) befindet sich somit am unteren Totpunkt (UT). Die untere Seite des Doppelkolbens (13) befindet sich ebenfalls am UT und hat den Vorverdichtungs-/Ansaugraum (7) mit frischem Kraftstoffgasgemisch gefüllt (angesaugt). In dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (6), der dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (3) in Boxeranordnung gegenüberliegt, befindet sich der dazugehörige Doppelkolben (16) am oberen Totpunkt (OT) und hat die verbrannten Gase ausgestoßen. Im Vorverdichtungs-/Ansaugraum (10) ist der Doppelkolben (16) ebenfalls am OT, hat das zuvor angesaugte Kraftstoffgasgemisch vorverdichtet und drückt es über eine Druckleitung in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (5) der nebenliegenden Zylindereinheit (2). Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr von angesaugtem Kraftstoffgasgemisch aus dem Vorverdichtungs-/Ansaugraum (8) der 2. Zylindereinheit (2) in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (5). Die Doppelkolbeneinheiten (11,12) übertragen mittels Exzenter (17,18) die Hubbewegungen zwangsweise in eine Drehbewegung der Exzenterwelle (19).
Arbeitstakt-2 (Figur 2)
Im Verdichtungs-/Verbrennungsraum (4) der Zylindereinheit (2) wurde gezündet und die obere Seite des Doppelkolbens (14) befindet sich somit am UT. Die untere Seite des Doppelkolbens (14) befindet sich ebenfalls am UT und hat den Vorverdichtungs-/Ansaugraum (8) mit frischem Kraftstoffgasgemisch gefüllt (angesaugt). In dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (5), der dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (4) in Boxeranordnung gegenüberliegt, befindet sich der dazugehörige Doppelkolben (15) am OT und hat das Kraftstoffgasgemisch verdichtet. Im Vorverdichtungs-/Ansaugraum (9) ist der Doppelkolben (15) ebenfalls am OT und hat das zuvor angesaugte Kraftstoffgasgemisch vorverdichtet und drückt es über eine Druckleitung in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (6) der nebenliegenden Zylindereinheit (1). Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr von angesaugtem Kraftstoffgasgemisch aus dem Vorverdichtungs-/Ansaugraum (7) der 1. Zylindereinheit (1) in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (6). Die Doppelkolbeneinheiten (11,12) übertragen mittels Exzenter (17,18) die Hubbewegungen zwangsweise in eine Drehbewegung der Exzenterwelle (19).
Arbeitstakt (Figur 3)
Im Verdichtungs-/Verbrennungsraum (5) der 2. Zylindereinheit (2) wurde gezündet und die obere Seite des Doppelkolbens (15) befindet sich somit am UT. Die untere Seite des Doppelkolben (15) befindet sich ebenfalls am UT und hat den Vorverdichtungs-/Ansaugraum (9) mit frischem Kraftstoffgasgemisch gefüllt (angesaugt). In dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (4), der dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (5) in Boxeranordnung gegenüberliegt, befindet sich der dazugehörige Doppelkolben (14) am OT und hat die verbrannten Gase ausgestoßen. Im Vorverdichtungs-/Ansaugraum (8) ist der Doppelkolben (14) ebenfalls am OT und hat das zuvor angesaugte Kraftstoffgasgemisch über eine Druckleitung in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (3) der nebenliegenden Zylindereinheit (1) gedrückt. Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr von angesaugtem Kraftstoffgasgemisch aus dem Vorverdichtungs-/Ansaugraum (10) der 1. Zylindereinheit (1) in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (3). Die Doppelkolbeneinheiten (11,12) übertragen mittels Exzenter (17,18) die Hubbewegungen zwangsweise in eine Drehbewegung der Exzenterwelle (19).
Arbeitstakt-4 (Figur 4)
Im Verdichtungs-/Verbrennungsraum (6) der Zylindereinheit (1) wurde gezündet und die obere Seite des Doppelkolbens (16) befindet sich somit am UT. Die untere Seite des Doppelkolben (16) befindet sich ebenfalls am UT und hat den Vorverdichtungs-/Ansaugraum (10) mit frischem Kraftstoffgasgemisch gefüllt (angesaugt). In dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (3), der dem Verdichtungs-/Verbrennungsraum (6) in Boxeranordnung gegenüberliegt, befindet sich der dazugehörige Doppelkolben (13) am OT und hat das Kraftstoffgasgemisch verdichtet. Im Vorverdichtungs-/Ansaugraum (7) ist der Doppelkolben (13) ebenfalls am OT und hat das zuvor angesaugte Kraftstoffgasgemisch über eine Druckleitung in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (4) der nebenliegenden Zylindereinheit (2) gedrückt. Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr von angesaugtem Kraftstoffgasgemisch aus dem Vorverdichtungs-/Ansaugraum (9) der Zylindereinheit (2) in den Verdichtungs-/Verbrennungsraum (4). Die Doppelkolbeneinheiten (11,12) übertragen mittels Exzenter (17,18) die Hubbewegungen zwangsweise in eine Drehbewegung der Exzenterwelle (19).
Bezugszeichenliste

1: Zylindereinheit-1
2: Zylindereinheit-2
3: Verdichtungs-/Verbrennungsraum
4: Verdichtungs-/Verbrennungsraum
5: Verdichtungs-/Verbrennungsraum
6: Verdichtungs-/Verbrennungsraum
7: Vorverdichtungs-/Ansaugraum
8: Vorverdichtungs-/Ansaugraum
9: Vorverdichtungs-/Ansaugraum
10: Vorverdichtungs-/Ansaugraum
11: Doppelkolbeneinheit aus Doppelkolben 13/16
12: Doppelkolbeneinheit aus Doppelkolben 14/15
13: Doppelkolben
14: Doppelkolben
15: Doppelkolben
16: Doppelkolben
17: Exzenter 1
18: Exzenter 2
19: Exzenterwelle
20: Stege
21: Motorgehäuse
22: Innenzylinder, im Motorgehäuse angeordnet
23: Außenzylinder
24: Innenkolben
25: Außenkolben
26: Kolbenverbindungsstange

Claims

Viertakt- Brennkraftmaschine mit Vorverdichtung in Zylindern, mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern mit Kolben, wobei die Kolben fest miteinander verbunden sind, mit einer Vorverdichtungsvorrichtung für die Verbrennungsluft und Steuermitteln für die Gasströme, wobei die gegenüberliegenden Kolben um 180° phasenverschoben arbeiten und der Hubweg der Kolben über ein Getriebe in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, wobei - die gegenüberliegenden Zylinder als Doppelzylinder mit Doppelkolben (13,16) ausgeführt sind, - die Doppelkolben (13,16) durch Stege (20) fest miteinander verbunden sind und eine Doppelkolbeneinheit (11) bilden - zwei Zylindereinheiten (1, 2) parallel nebeneinander angeordnet sind und die Doppelkolbeneinheiten (11,12) über Exzenter (17,18) auf eine Exzenterwelle (19) wirken, - die Doppelkolben (13,16,14,15) jeweils in separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräumen (7,10,8,9) und Verdichtungs-/ Verbrennungsräumen (3,6,4,5) wirken, wobei jeweils ein Doppelkolben (13,16,14,15) in einem der separaten Vorverdichtungs-/Ansaugräume (7,8,9,10) sowie Verdichtungs-Verbrennungsräume (3,4,5,6) parallel arbeitet, - der Doppelkolben (13,16,14,15) das jeweils über eine Einströmöffnung angesaugte Gasgemisch oder Kraftstoff-Gasgemisch in den Vorverdichtungs-/Ansaugräumen (7,10,8,9) in einer ersten Stufe auf den gewünschten Grad verdichtet, wobei dieser Vorgang immer in zwei Vorverdichtungs-/Ansaugräumen(10, 8) gleichzeitig erfolgt und die angesaugten Gemische in einer zweiten Stufe je einen Verdichtungs-/ Verbrennungsraum (5) füllen, wobei jeweils zwei Vorverdichtungs-/Ansaugräume (7,8,9,10) wechselnd zwischen den Doppelkolben (13, 16, 14, 15) zum Laden eines Verdichtungs-/ Verbrennungsraumes (3,4,5,6) zugeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenboden der Doppelkolben (13,16,14,15) jeweils eine Walze gelagert ist, die auf den Exzenter (17, 18) der Exzenterwelle (19) abrollt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Einströmöffnungen für das Gasgemisch oder Kraftstoff- Gasgemisch in den Verdichtungs-/ Verbrennungsräume (3, 4, 5, 6) gegenüberliegen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Einströmöffnungen in die Verdichtungs-/Verbrennungsräume (3,4,5,6) sowie die Zuordnung der Vorverdichtungs-/Ansaugräume (7,10,8,9) über am Gehäuse angeordnete, von der Exzenterwelle (19)angetriebene Wellen mit darin eingefrästen Schlitzen in Form einer Wellensteuerung erfolgt.