DE2033820C3

DE2033820C3 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2033820C3
Application number: DE19702033820
Authority: DE
Inventors: Patrick Joseph Dublin Walls
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-08
Filing date: 1970-07-08
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2033820B2; DE2033820A1

Description

40

45

35 Die f-.rfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

in einem Gehäuse hin- und herlaufendem, doppeltwirkendem Stufenkolben, der auf beiden Seiten mit mindestens zwei zueinander konzentrischen Zylin.lerräumen zusammenwirkt und zur Überleitung von verdichteter Luft von dem einen Zylinderraum zum anderen hohl und mit Vertuen ausgerüstet ist. wobei dieser Stufenkolben entweder als Freikolben ausgebildet oder mit einer Kurbelwelle unmittelbar verbunden ist.

Ks ist bekannt, daß solche Brennkraftmaschinen in gleicher Weise auch als Kompressoren betrieben werden können, falls Fremdantriebe dafür vorgesehen werden. Die Erfindung betrifft deshalb auch Bauweisen, die an Stelle der inneren Brennkraft durch äußere Kräfte angetrieben werden. Ähnlich schließt der Begriff »(Luft« jedes andere Gas mit ein, das in gleicher Weise Zum Betrieb einer gattungsgemäßen Maschine geeignet ist.

Bei Maschinen dieser Art ist es bekannt. Stufenkolben mit einem im Durchmesser größeren und einem im Durchmesser kleineren Teii zu verwenden, die beide mit getrennten Zylinderräumen zusammenwirken, wovon der eine als Verdichtungskammer und der andere • Is Verbrennungsraum diunt. Ferner ist dabei bekannt. 4ie m der Verdichtungskammer vorverdichtete LuIt •ber Ventile durch den Stufenkolben hindurch in die Verbrennungskammer /u leiten. Dabei ist jedoch das (Dehäuse, das die Verdichtungskammer und den Verbrennungsraum umschließt, selbst wiederum kolbenarlif beweglich 111 einem feststehenden Gehäuse angeordnet. Eine solche Bauart eignet sich jedoch aus Schließlich für Trcibgaserzeuger mit einem Freikolben, fcei denen keine mechanische Leistung abgenommen

60 wird. Schon deshalb eignet sie sich nicht für voich Brennkraftmaschinen, bei denen der Kolben auc durch eine Kurbelwelle zwangsgesteuert ist. Darübe hinaus ist der Aufbau solcher Maschinen mit bewegl. ehern Gehäuse sehr kompliziert, da für die Fin- un Überleitung der anzusaugenden und zu verdichtende Luft zahlreiche Ventile in den beweglichen ^Teilen er forderlich sind, die zudem noch durch sich gegenseiti; beeinflussende Druckverhältnisse in nicht voraus bere chenbarer Weise arbeiten. Der Wirkungsgrad und di< Betriebsweise solcher Maschinen haben deshalb bishe nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis geführt.

Es ist weiterhin bekannt, bei ßrennkraftmaschiner mit Stufenkolben einen Teii des Kolbens in einer Zy iinderhülse laufen zu lassen, die fest mit dem Zylinder kopf verbunden ist. Hierbei ist jedoch eine ausreichende Kühlung der innenliegenden Zylinderhülse nicht gegeben, was zumindest ein siarkes Verziehen des Zy-■ir-derkopfes bei Erwärmung zur Folge hat.

Bei Maschinen der gattungsgemäßen Art .st es aucr schon bekannt, durch paarweise Ausbildung der Ko(-ben. die gegenläufig gesteuert sind, die auftretenden Schwingungen auszugleichen. Des weiteren sind b-.'i solchf-n Maschinen Einrichtungen bekannt, um das Auslaßorgan in Abhängigkeit von der Bewegung des Hauptkoibens zu steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine zu vereinfachen und ihre Betriebsweise dadurch zu verbessern, daß die Anzahl der hin- und herbeweglichen Teile einschließlich der Ventile verringert ist und dabei dennoch die Gasführung so erfolgt, daß eine ausreichende Kühlung dieser Teile sichergestellt ist. Der Vorteil dieser Maßnahmen liegt darin, die Maschine unempfindlich gegen den Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen zu machen, um sie beispielsweise mit Benzin oder mit Dieselöl betreiben zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Maschine gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeweils der den Verbrennungsraum abgrenzende, im Durchmesser reduzierte Teil des .Stufenkolbens in einer Zylinderlaufbuchse läuft, die innenseitig in die Zylinderbohrung des Gehäuses lösbar eingesetzt ist und außenseitig im am Gehäuse lösbar befestigten Zylindermantel sitzt, der die Zylinderlaufbuchse mit einer ringförmigen Lufteinlaßkammer umgibt, welche der ringförmigen, durch den im Durchmesser größeren Teil des Stufenkolbens abgegrenzten Verdichtungskammer vorgeschaltet ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt

F 1 g. I einen Längsschnitt in Richtung der Kolbenachsen durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

F i g. 2 einen Querschnitt der Maschine längs der Linie H-Il in F i g. 1,

F i g. 3 eine Ansicht in Richtung der Linie lll-lll in Fig. 1.

Fig.4 einen Teilschnitt längs der Linie IV-IV in F i g. S.

F i g. 5 und 6 vereinfachte Ansichten der Brennkraftmaschine in kleinerer Darstellung.

Entsprechend den F i g. 1 bis 4 besitzt die dargestellte Brennkraftmaschine ein zylindrisch gebohrtes Gehäuse 1. das den Zylinder bildet, darauf aufgebaut und vorzugsweise als fester Bestandteil desselben ist ein Kurbelgehäuse 2, dessen Inneres mit dem Inneren des

Gehäuses 1 durch einen Schlitz 3 verbunden ist. Die zylindrische Bohrung des Gehäuses 1 ist mit einer Buchse 4 versehen, in der der Stufenkolben 5 gleiten kann.

Die entgegengesetzten Enden des Siufenkolbens 5 haben ringförmige Stirnflächen 6 u".d einen Teil 7 mit verringertem Durchmesser. Dieser Teil 7 ist hohl, um eine Übergangskammer 8 zu bilden. Der Teil 7 gleitet in einer axial vorragenden Zylinderlaufbuchse 10. Diese Zylinderlaufbuchse 10 sitzt in einem abnehmbaren Zylindermantel 11, der mit dem Gehäuse 1 verschraubt ist. Ein Ventilschieber 12 mil einer Anzahl von öffnungen

13 (A b b. 3) ist zwischen dem Zylindermantel 11 und dem Gehäuse 1 angeordnet.

Der Zylindermantel 11 ist durch einen Zylinderkopf 11a verschlossen. Der Zylindermantel 11 ist außen mit Kühlrippen versehen. Er bildet eine ringförmige Lufteinlaßkammer 14 mit einer Einlaßöffnung 15.

Der Ventilschieber 12 verschließt Durchlässe 9, die einen Luftdurchlaß von der Lufteinlaßkammer 14 in eine ringförmige Verdiehtungskammer 16 ermöglichen. Diese Verdich;ungskammer 16 ist durch eine Einlaßöffnung 17 mit der Übergangskammer 8 verbunden wenn das die Einlaßöffnung 17 verschließende Ventil 18 geöffnet ist. Das Ventil 18 wirkt als Rückschlagventil und wird durch eine Feder 19 in seine geschlossene Lage gedrückt. Ein federbelastetes Tellerventil 20 sitzt auf der Aiislaßöffnung 21. die von der Übergangskammer 8 in den Verbrennungsraum 22 der Zylinderlaufbuchse 10 führt. Die Auslaßöf^xnung 23 des Verbrennungsraumes 22 wird durch ein Tellerventil 24 verschlossen, welches im Zylinderkopf lla geführt und durch einen Ventiltrieb betätigt wird. Dieser Ventiltrieb besitzt einen Kipphebel 25. der an einem Hebel 27 zwischengelagert und durch einen Stößel 26 betätigt ist.

Beide Enden des Gehäuses 1 sind gleich ausgebildet und ausgerüstet. Die Brennkraftmaschine kann als Freikolbenmotor betrieben werden. Wenn jedoch eine Kurbelwelle angetrieben werden soll, ist der Stufenkolben 5 vorzugsweise mit der Kurbelwelle 30. die im Kurbelgehäuse 2 angeordnet ist, über einen Gleitblock 31 verbunden. In diesem Gleitblock 31, der im Stufenkolben 5 gleiten kann, ist der Kurbelzapfen 32 gelagert.

Der Betrieb des Tellerventil 24 ist von der Kurbelwelle 30 gesteuert und der in den F i g. 5 und 6 dargestellte Antrieb weist eine Nockenbahn 35 in einer Kurvenscheibe 36 auf der Kurbelwelle 30 auf. Zugehörige Stößel 26 sind mit einem Winkelhebel 37 verbunden, der Nockenrollen trägt (nicht dargestellt), die in die Nockenbahn 35 eingreifen, wie aus F i g. 6 ersichtlich ist. Durch diese Anordnung werden die Stößel 26 abwechselnd in entgegengesetzte Richtung bewegt (entgegengesetzt zu der des Siufenkolbens 5) und öffnen das Tellerventil 24, wenn sich der Stufenkolben 5 dem Totpunkt nähert. Das Tellerventil 24 schließt wieder, wenn der Stufenkolben 5 zurückläuft.

Der Antrieb des Ventilschiebers 12 wird durch ein in den F i g. 3 und 4 dargestelltes Getriebe bewirkt. Der Ventilschieber 12. der aus einer flachen Platte besteht, wird in einer den Durchlässen 9 der Lufteinlaßkammer

14 benachbarten Lage durch einen Kragen 12a gehalten, der am Ende der Zylinderlaufbuchse 10 angeschraubt ist und eine freie Drehung des Ventilschiebers 12 erlaubt. Die Durchlasse 9 sind so geformt und angeordnet, daß in einer bestimmten Stellung des Ventilschiebers 12 eine Deckung mit den entsprechenden Öffnungen 1J dieses Ventilschiebers 12 besteht, wählend bei Drehung des Ventilschiebers 12 um einen vorbestimmten Winkel (15° bei dem in F i g. 3 dargestellten Beispiel) die Öffnungen 13 außer Übereinstimmung mit den Durchlässen 9 geraten, die dann vollständig durch den Ventilschieber 12 verschlossen werden. Der Ventilschieber 12 durchläuft den Winkel synchron mit der Bewegung des Stufenkolbens 5 über die Kurvenscheibe 36 auf der Kurbelwelle 30, wobei die Kurvenscheibe 36 eine Nockenbahn 82 aufweist, in die eine Roiie 83 eingreift, die an einem Arm 34 am Ende einer

ίο Spindel 40 gelagert ist. Am anderen Ende trägt die Spindel 40 ein gezahntes Segment 41, das in einen entsprechend verzahnten Teil 42 des Ventilschiebers 12 eingreift. Die Form der Nockenbahn 82 ist so ausgebildet, daß der Ventilschieber 12 durch seine Bewegung die Durchlässe 9 zur richtigen Zeit im Verhältnis zur Stellung des Stufenkolbens 5 freigibt. Die genannten Durchlässe 9 sollen schließen, um Luftzufuhr während der Dauer des Betriebszyklus abzusperren, in der die von der Verdichtungskammer 16 kommende Luft kom-

ao primiert wird.

Im folgenden wird die Betriebsweise der neuen Brennkraftmaschine näher erläutert. Zunächst wird der linke Teil der Maschine, wie in F i g. 1 dargestellt, betrachtet. Der Stufenkolben 5 bewegt sich gerade von

as rechts nach links, wobei sich die Kurbelwelle 30 im Uhrzeigersinn dreht. Luft, die während des vorhergehenden Hubes beim Lauf des Stufenkolbens 5 nach rechts in die Öffnung und die Lufteinlaßkammer 14 durch die öffnungen 13 in die Verdiehtungskammer 16 gesaugt w>rd, wird nun durch den Stufenkolben 5 komprimiert, wobei die Öffnung 13 durch Drehung des Ventilschiebers 12 geschlossen wird, und die unter Druck stehende Luft wird durch die Einlaßöffnungen 17 (Ventil 18 offen) in die Übergangskammer 8 gedrückt. Das Tellerventil 20 wird inzwischen durch Druck der Feder 19a auf seinem Sitz gehalten. Der Druck im Verbrennungsraum 22 ist jedoch relativ gering, da das Tellerventil 24 vorher durch Betätigung des Ventütriebs (Teile 36, 37, 26 und 25) geöffnet hat. Hierdurch öffnet das Tellerventil 20 und Luft unter Druck wird aus der Übergangskammer 8 in den Verbrennungsraum 22 gedrückt, wo sie eine spülende Wirkung hervorruft, die das Ausstoßen der Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsraum 22 unterstützt. Das Tellerventil 24 schließt durch Betätigung des vorerwähnten Ventiltriebes, und sobald der Druck der im Verbrennungsraum 22 eingeschlossenen Luft den Druck der Luft in der Übergangskammer 8 erreicht schließt das Tellerventil 20, und die weitere Bewegung des Stufenkolbens 5 nach links erhöht den Druck der Luft innerhalb des Verbrennungraumes 22. Wenn der Stufenkolben 5 am oder nahe am Ende seines Hubes ist wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum 22 eingespritzt, eine Verbrennung findet darin statt und der Stilfenkolben 5 wird nach rechts getrieben. Während dieses Hubes wird frische Luft aus der Lufteinlaßkammer 14 durch die Öffnungen 13 in die Verdichtungskammei 16 angesaugt, wobei das Ventil 18 ebenfalls durch die Feder 19 unterstützt durch den Masseneffekt geschlossen. ist. Der Arbeitslauf ist damit vollendet, wobei da; Tellerventil 24 nahe dem Ende des Hubes des Stufen kolbens 5 geöflnet wird.

Auf der anderen Seite des .Stufenkolbens 5 finden ti ic oben beschriebenen Vorgänge ebenfalls statt, die Ab laufe sind jedoch um etwa 180' in bezug auf die Siel lung der Kurbelwelle 30 phasenverschoben, jeder Hut des Siufenkolbens 5 ist ein Arbeitshub.

Wird die Brennkraftmaschine mit Benzin statt mi

Dieselöl oder ähnlichem Schweröl beirieben, so ist es nur erforderlich, den Zylinderkopf I la gegen einen anderen auszutauschen, der mil einer Zündkerze versehen ist. Das Verdichtungsverhältnis kann in jedem Falle durch die Stiirke des Ventilschiebers 12. der austauschbar ist. bestimmt werden.

Wenn die Maschine als Kompressor betrieben werden soll, werden die Zylindermäntel 11 und die /\- lindcrköpfe 11.J vorzugsweise durch eine abgeänderte Ausführung ersetzt, wobei das Tellerventil 24 durch ein federbelastetes Rückschlagventil ersetzt wird. In diesem Falle kann das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsraumes 22. der dann zum Endstufen-Druck-/>linder wird, wie gewünscht durch Auswahl der Federn so geregelt werden, daß Luft von vorbestimmtem Druck gefördert wird. Dabei wird die Maschine vorzugsweise von außen angetrieben, es ist jedoch ebenfalls möglich, die Maschine teilweise als Komprcssoi und teilweise als Brennkraftmaschine laufen zu lassen wobei einer der Zylinderräume als Verbrennungsraum 22 und der andere nur für Kompression und F'örderun^ komprimierter Luft dient.

Eine Besonderheit der neuen Brennkraftmaschine liegt in der Tatsache, daß ihre Teile sehr wirksam luft gekühlt werden, wobei kalte Luft zunächst in die die Zylinderlaufbuchse 10 umgebende Luftcinlaßkammei

ίο 14 angesaugt wird, dann durch das Gehäuse 1 fließt unc durch den Stufenkolben 5 mit seinem reduzierten Tei der die Vorkammer bildet, so daß sie in den Verbrennungsraum 22 vorgeheizt eintritt. Die Zylinderköpfe Ha und die Auslaßöffnungen 23 darin iind in gleicher

Weise mit Kühlrippen versehen, um die kühlung dieser Teile zu unterstützen: sie können jedoch ebensogut mil einem Wasser-Kühlmantel versehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunsen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit in einem Gehäuse hin- und herlaufendem. doppehw irrendem Stüfenkoiben. der auf beiden Seiten mi! mindestens zwei zueinander konzentrischen Zy linderräumen zusammenwirkt und zur Überleitung von verdichteter Luft von dem einen Zylinderraum zum anderen hohl und mit Ventilen ausgerüstet ist, wobei dieser Stufenkolben entweder als Freikolben ausgebildet oder mit einer Kurbelweile unmittelbar verbunden ist. dadurch gekennzeichnet daß jeweils der den Verbrennungsraum (22) abgrenzende, im Durchmesser reduzierte Teii (7) des Stufenkolbens (5) in einer Zylinderlaufbuchse (10) läuft, die innenseitig in die Zylinderbohrung des Gehäuses (1) lösbar befestigten Zylinderman'el (11) sitzt, der die Zylinderlaufbuchse (10) mit einer ringförmigen Lufteinlaßkammer (14) umgibt, welche der ringförmi- _ao gen. durch den im Durchmesser größeren Tei] des Stufenkolbens (5) abgegrenzten Verdich'.ungskammer(16) vorgeschaltet is:.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der LuftL-:nlaßkammer (14) und der Verdichtungskammer (16) im Bereich des inneren Endes der Zylinderlaufbuchse (10) ein ringförmiger, mit Öffnungen (13) versehener Ventilschieber (12) drehbar angeordnet und in Abhängigkeit \on der Belegung des .Stufenkolbens (5) gesteuert ist.