DE19514571C1 - Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Brennkraftkolbenmaschine ist bspw. aus der US 3200797 bekannt.

Derartige Brennkraftkolbenmaschinen bieten die Möglichkeit, bisher noch nicht erreichte Wirkungsgrade zu erzielen durch die Anwendung sehr hoher Druckverhältnisse, über 1 : 25, und die Entspannung der Abgase bis auf 1 bar bei gleichzeitiger Auflademöglichkeit der Zylinder.

Eine solche Möglichkeit ist nur gegeben durch die erfindungsgemäße Konstruktion, die sich auszeichnet durch den Fortfall der oszillierenden Massen und jeglicher Ventilsteuerung sowie eines Drehzylinders der kräftefrei gelagert ist, wodurch die bei den hohen Drücken auftretenden sehr hohen Seitenkräfte auf die Zylinderwand unwirksam bleiben. Antriebswellenversetzungen, wie Kurbeln, sind bei solch hohen Druckverhältnissen unzweckmäßig infolge der unvermeidlichen Durchbiegung und der dadurch bedingten Verklemmungen.

Aus der Patentliteratur sind viele Konstruktionen mit umlaufenden Zylindern bekannt, die Merkmale obiger Erfindung enthalten, mit denen es jedoch nicht annähernd möglich ist, obige Ziele zu verwirklichen. Die GB 469,883 weist eine Konstruktion auf, die herkömmliche Pleuelstangen und Kurbelwellen in einem Drehzylinder verwendet. Eine andere GB 126,109 weist eine Konstruktion aus, die einen umlaufenden Zylinder als Antriebsorgan benutzt. Die GB 114,667 beschreibt einen herkömmlichen Sternmotor in einem umlaufenden Zylinder. Eine ähnliche Konstruktion mit herkömmlichen Kurbeln beschreibt eine andere GB 565,652. Die GB 1734 aus dem Jahre 1915 stellt eine Konstruktion mit durch Kurbeln gesteuerte Kolben vor, wobei die Kraftentnahme am umlaufenden Zylinder erfolgt. Die FR 935.520 zeigt eine Konstruktion mittels Kurbelwelle gesteuerte Kolben in einem umlaufenden Zylinder bei Anwendung von Ventilsteuerungen. Die FR 1.262.597 weist eine Konstruktion aus, bei der der umlaufende Zylinder als Steuerorgan benutzt wird und sich die Kolben oszillierend hin- und herbewegen. Die US 2,273,025 zeigt die Konstruktion eines herkömmlichen Sternmotors, wobei der umlaufende Zylinder lediglich als Steuerung benutzt wird. Schließlich zeigen die CH 418725 und die US 3,200,797 eine Konstruktion mittels durch eine Kurbelwelle gesteuerten Kolben, wobei die Drehzahl des umlaufenden Zylinders zur Antriebswelle in einem Verhältnis von 1 : 2 verläuft. Hohe Druckverhältnisse sind bei diesen Motoren infolge hoher Seitenkräfte auf die Zylinderwand nicht anzuwenden, da der Drehzylinder nicht kräftefrei gelagert ist. Kräfteabnahmen am Drehzylinder sind für hohe Druckverhältnisse unzulässig, da durch solche Konstruktionen die Einwirkung der Seitenkräfte auf die Zylinderwände nicht beseitigt sind und hohe Druckverhältnisse ebenfalls nicht angewendet werden können. Die übrigen, mit Kurbelwellen vorgeschlagenen Konstruktionen verbieten sich aus den oben erwähnten Gründen der Durchbiegung und Verklemmung. Herkömmliche Ventilsteuerungen verbieten einen hohen Liefergrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftkolbenmaschine zu schaffen, die sich durch einen geringen konstruktiven Aufwand auszeichnet und einen maximalen gesamtwirtschaftlichen Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die eingangs beschriebenen Forderungen, die notwendig zu verwirklichen sind, um einen maximalen gesamtwirtschaftlichen Wirkungsgrad zu erreichen, sind nur zu ermöglichen durch eine Konstruktion, die einen zentrisch umlaufenden Zylinderträger und zentrisch darin angeordneten Zylinder besitzt, indem sich ein an der ungekröpften Antriebsachse durch ein starres Pleuel befestigter Kolben rotierend verschiebbar bewegt, wobei das Drehzahlverhältnis zwischen dem Zylinderträger und der Antriebsachse 1 : 1 beträgt ohne jegliche Getriebeverbindung, wobei sich der Zylinderträger in bekannter Weise in einem feststehenden Gehäuse durch Lamellen abgedichtet, dreht, und das Gehäuse in ebenfalls bekannter Weise zwischen 180° und 270° von der Einspritzdüse im Drehsinn des Zylinderträgers gerechnet, mit zwei Spülschlitzen versehen ist, von denen der eine Schlitz mit einem Gebläse verbunden ist, und durch den anderen die entspannten Abgase abgeführt werden. Zylinderträger und Antriebswelle sind unabhängig voneinander im Gehäuse zu beiden Seiten gelagert. Anhand von Zeichnungen wird die Konstruktion näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Konstruktion.

Fig. 2 einen Querschnitt, und die

Fig. 3-6 verschiedene Arbeitsphasen des Motors im Querschritt in schematischer Darstellung.

In dem Motorgehäuse, einem zylindrischen Gehäuse 9, dessen Enden mit je einer Verschlußkappe 91, 92 verschlossen sind, ist ein, in bekannter Weise, um die Mittelachse des Gehäuses 9 drehbarer und an dessen Zylinderbohrung durch Dichtringe 101, 102 (Fig. 1) und geraden Dichtleisten 103, 104 (Fig. 2) am Gehäuse 9 abgedichteter Zylinderträger 10 in den Lagern 11 und 12 gelagert. In dem Zylinderträger 10 befindet sich, in bekannter Weise, eine rechtwinklig zur Gehäusemittelachse und diametral verlaufende, zylindrische Bohrung 105 - der Zylinder des Motors -, in der auf einer ungekröpften, geradlinig verlaufenden, zum Gehäusemittelpunkt versetzten Antriebsachse 13 am mit der Antriebswelle 13 starr verbundener Pleuelarm 131, im Pleuelzapfen 14 drehbar gelagerten Kolben 15 geführt wird. Der Kolbenhub ist das Maß des doppelten Abstandes der Antriebswelle von der Gehäuseachse. Zylinderträger und Antriebsachse drehen sich im Verhältnis 1 : 1 und bei einer Umdrehung des Zylinderträgers 10 und der Antriebsachse 13 werden zwei Arbeitshübe ausgeführt. An der Stelle des Gehäuses 9, der der Kolben am nächsten kommt, sind, in bekannter Weise, Öffnungen 93, 94 für die Einspritzdüsen 16, 17 angeordnet. Um etwa 230°-250° in Drehrichtung des Zylinderträgers 10 zu den Einspritzdüsen 16, 17 versetzt, weist das Gehäuse, in bekannter Weise, zwei weitere Öffnungen 18, 19 (Fig. 2) auf, von denen die Öffnung 18 als Auslaß für die Verbrennungsgase aus dem Arbeitsraum und die Öffnung 19 als Einlaß für die durch ein Gebläse zugeführte Frischluft dient. Der Zylinderträger 10 und der Kolben 15 weisen, wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, Hohlräume zur Kühlung 151, 152 auf.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das Gehäuse 9 zwei Bohrungen 95, 96 auf, wodurch mittels einer Ölpumpe Kühlöl durch Zylinderträger 10 und Kolben 15 gepumpt wird. Die Gleitlager werden durch Drucköl geschmiert. Die gesamte Kühlung und Schmierung kann auch durch den Kraftstoff selbst erfolgen, wenn der Motor mit Schweröl oder pflanzlichen Ölen betrieben wird.

Zum Zwecke der Abdichtung ist die zylindrische Außenwandung des Zylinderträgers 10 mit Dichtringen 101, 102 versehen (Fig. 1) und in Längsrichtung mit den Dichtringen 101, 102 sich kreuzenden Dichtungslamellen 103, 104 (Fig. 2).

Zur Abdichtung des Kolbens in der Zylinderbohrung sind herkömmliche Kolbenringe 155, 156 vorhanden. Die Arbeitsweise des Motors gemäß der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben, wobei im wesentlichen die Fig. 3-6 herangezogen werden. Es wird dabei betont, daß der Motor als Brennkraftkolbenmaschine mit Einspritzung betrieben werden soll.

In der Fig. 3 dargestellten Phase des Motors hat der Kolben 15 den oberen Totpunkt erreicht, womit gleichzeitig in den Kompressionsräumen 161, 162 (Fig. 1) zwischen der Kolbenstirnwand 153 und dem Gehäuse 9 (Fig. 1) die höchstmögliche Verdichtung der Luft eingetreten ist. Nachdem durch die Einspritzdüsen 16, 17 Kraftstoff in den Kompressionsraum eingespritzt ist, bewirkt die Expansionskraft einen Hub des Kolbens 15 in Richtung des in den Kolben eingezeichneten Pfeiles und eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn, da die Antriebswelle 13 durch den Anlasser in dieser Richtung angedreht wurde. An der gegenüberliegenden Seite des Kolbens, und zwar in dem Arbeitsraum 172 zwischen der Kolbenstirnwand 154 des Kolbens 15 und dem Gehäuse 9 findet der Auslaß der verbrannten Gase statt, die durch den Schlitz 18 entweichen. Die weitere Entwicklung der Gleitbewegung des Kolbens und der Drehbewegung des Zylinderträgers ist aus der Fig. 4 zu ersehen, in der der Kolben um 90° im Verhältnis zu seiner Ausgangsstellung gedreht wurde. In der gleichen Zeit vollzieht sich auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens, und zwar in dem Arbeitsraum 172, zwischen der Stirnwand 154 des Kolbens 15 und dem Gehäuse 9, die Kompression der Luft, die vorher durch den Spülschlitz 19 durch ein Gebläse eingeblasen wurde zur Spülung der Abgase durch den Schlitz 18 und nach etwas weiterer Drehung der Antriebsachse 13, nach Verdeckung des Auslaßschlitzes 18 zur Aufladung des Arbeitsraumes 172 diente. Wie die Fig. 5 zeigt, ist jetzt die Kompression im Arbeitsraum 172 beendet und die Stirnwand 154 des Kolbens 15 ist jetzt in der gegen­ überliegenden Position zu den Kompressionsräumen 161, 162, wo die Luft dann die höchstmögliche Verdichtung erreicht hat.

Die gegenüberliegende Stirnwand 153 des Kolbens 15 steht nun mit dem Auslaßschlitz 18 in Verbindung, wo jetzt die verbrannten Gase entweichen können. Zylinderträger 10 und Antriebsachse 13 haben jetzt die gleiche Stellung, haben sich also um je 180° gedreht. Wie man aus der Fig. 4 ersieht, ist dabei die Antriebsachse zunächst beschleunigt worden und erleidet dann auf dem Weg zur Fig. 5 wieder eine Verzögerung. Der Grad der Beschleunigung und der Verzögerung ist abhängig von der konstruktiv bedingten Entfernung der Antriebsachse 13 zum Pleuelzapfen 14. Fig. 6 zeigt dann wieder genau wie Fig. 4 die Kompression der Luft diesmal zwischen der Stirnwand 153 des Kolbens 15 und dem Gehäuse 9, die in der vorherigen Stellung, kurz nach der Fig. 5 eingeblasen wurde durch den Schlitz 19 zur Spülung der Abgase durch den Schlitz 18 und zur nachherigen Aufladung des Arbeitsraumes 171.

Wie aus den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 ersichtlich, sind die Spülschlitze 18, 19 um ca. 230° zum oberen Totpunkt des Kolbens 15 versetzt angeordnet, wodurch in bekannter Weise der Kompressionsweg gegenüber dem Expansionsweg verkürzt ist, so daß das Kompressionsvolumen kleiner ist als das Expansionsvolumen. Dadurch kann eine völlige Entspannung der Abgase erreicht werden. Bei einer Umdrehung der Antriebswelle 13 und damit auch des Zylinderträgers 10 werden zwei Arbeitstakte erzeugt.

Mittels dieser Anordnung teils bekannter Teile ist es nur möglich, die eingangs erwähnten Forderungen zur Erzielung eines maximalen gesamtwirtschaftlichen Wirkungsgrades bei einfachster Konstruktion zu erreichen:

• 1. Fortfall der oszillierenden Massen,
• 2. Anwendung eines hohen Druckverhältnisses
• 3. Erzielung eines Liefergrades von 100% bei gleichzeitiger Fortführung der Expansion bis auf 1 bar
• 4. Kräftefrei gelagerter Zylinderträger durch ungekröpfte gerade Antriebsachse
• 5. Schweröl- u. Pflanzenölbetrieb bei gleichzeitiger Kühlung durch die Kraftstoffe, möglich infolge der hohen Verdichtung und der damit erzielten sehr hohen Zündtemperaturen.

Die Festigkeitsberechnungen haben ergeben, daß das Pleuellager im Kolben und die Lager der Antriebswelle bei Drücken von 400 kg/cm² ohne Schwierigkeiten unterbringbar sind. Durch den Fortfall des Kurbelwellenlagers, siehe CH 418725, kann die Konstruktion kleiner und kompakter gehalten werden, denn infolge der hohen Kompressionskräfte müßten die Schenkel der Kurbelwelle sehr stark ausgeführt werden, welche Tatsache einen erheblich größeren Platzbedarf beanspruchen würde.

Infolge des Fehlens des Kurbelwellenlagers im Kolben, wie im CH 418725 beschrieben, kann der Kolben weitestgehend hohl ausgeführt werden, wodurch eine einwandfreie Kühlung durch Öl, oder den Kraftstoff selbst, erfolgen kann, selbst bei der wesentlich geringeren spez. Wärme des Öls oder Kraftstoffes gegenüber Wasser. Auf diese Weise kann garantiert werden, daß die Gleitflächentemperaturen 250°C nicht überschreiten.

Die Konstruktion ist somit mechanisch und thermisch für diese Spitzendrücke fixiert. Die Erzielung eines Liefergrades von 100% bei gleichzeitiger Expansion auf 1 bar wird einzig und allein in bekannter Weise durch diese Art der Anbringung der Spülschlitze in der Gehäusewand erreicht. Es wird somit ein Spülweg von 60-90° Zylinderträgerwinkel erzielt, wobei eine intensive Umkehrspülung erfolgt und ein volumetrischer Wirkungsgrad von 100% erreicht wird. Darüber hinaus kann bei Überschneidung der Spülschlitze eine Überladung auf einen Luftdruck in gewünschter Höhe je nach Anordnung der Spülschlitze erreicht werden.

Infolge des hohen Kompressionsverhältnisses und die dadurch auftretenden hohen Kompressionstemperaturen, infolge der Existenz der winzigen Kompressionsräume und der zentrischen Lage der Einspritzdüsen bei Direkteinspritzung erfolgt eine spontane Zündung des Kraftstoffes bei guter Durchmischung, wodurch es erstmalig möglich ist, das Dieselprinzip nach dem Gleichraumverfahren ablaufen zu lassen, wodurch gegenüber dem bei herkömmlichen Motoren üblichen Gleichdruckverfahren ein erheblicher Teil an Arbeitsleistung gewonnen wird.

Die Erfindung resultiert somit aus den sorgfältig vorausberechneten thermodynamischen Bedingungen zur Verwirklichung einer leistungsfähigen und wirtschaftlichen Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Berücksichtigung der mechanischen Festigkeiten, deren Ergebnisse allein durch diese Kombination teils bekannter Teile bei in bekannter Weise angeordneten Spülschlitzen verwirklicht werden können.

Claims (5)

1. Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und mit zentrisch umlaufendem Zylinderträger und zentrisch darin angeordnetem Zylinder, wobei der umlaufende Zylinderträger (10) von einem ihn durch Dichtungsringe (93, 94) dicht abschließenden, feststehenden Gehäuse (9) umgeben ist, das von den Einspritzdüsen (16, 17) in Drehrichtung gerechnet zwischen den Drehwinkeln 180° und 270°, mit zwei Spülschlitzen (18, 19) versehen ist, von denen der Auslaßschlitz (18) die entspannten Gase abführt, während der Einlaßschlitz (19) mit einem Spülgebläse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig im feststehenden Gehäuse (9) exzentrisch zur Gehäuseachse eine gerade, ungekröpfte Antriebsachse (13) gelagert ist, mit einem fest verbundenen Pleuelarm (131), der am gegenüberliegenden Ende, im Kolben (15), hin und her beweglich in einem Zylinder, angeordnet in einem zentrisch umlaufenden, kräftefrei gelagerten Zylinderträger (10), in der Nähe der Kolbenstirnwand (153) in einem Pleuellager (14) drehbar gelagert ist.

2. Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der starr an der zur Gehäusemitte (9) exzentrisch gelagerten ungekröpften Antriebsachse (13) befestigte Pleuelarm (131), gelagert im Pleuelzapfen (14) den Kolben (15) gleitend hin- und herbewegt, wodurch bei einer Umdrehung der Antriebsachse (13) der Kolben (15) einen Hub ausführt.

3. Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umdrehungsverhältnis der Antriebsachse (13) zum Zylinderträger (10) 1 : 1 beträgt und bei einer Umdrehung der Antriebsachse (13) und des Zylinderträgers (10) der Kolben (15) zwei Arbeits- und zwei Spültakte ausführt

4. Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderträger (10) nicht durch ein Zahnradgetriebe mit der Antriebsachse verbunden ist, sondern einzig und allein durch die Kräfteverteilung auf den Kolbenboden gesteuert wird.

5. Brennkraftkolbenmaschine mit Kraftstoffeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoff Schweröl oder Pflanzenöl verwendet werden und der Kraftstoff selbst als Kühlmittel herangezogen werden kann.