DE2630284A1

DE2630284A1 - Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2630284A1
Application number: DE19762630284
Authority: DE
Inventors: Jerome B Correll
Original assignee: A C ENGINES Inc
Current assignee: A C ENGINES Inc
Priority date: 1975-07-16
Filing date: 1976-07-06
Publication date: 1977-02-03
Also published as: SE423124B; CA1051783A; FR2318309A1; JPS5213008A; GB1544681A; AU501883B2; BR7604618A; FR2318309B3; IT1066584B; SE7608170L; AU1597276A

Description

Anmelder: A.C. ENGINES INCORPORATED

1100 Tulane Avenue, Suite 1400 New Orleans, Louisiana 70112 / USA

Br ennkraftmas chinen

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschinen.

Gegenwärtig werden eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Brennkraftmaschinen verwendet, wobei die häufigsten die Viertakt-Benzinmotoren sind. Von geringerer Bedeutung sind Zweitakt-Benzinmotoren, Drehkolbenmotoren und Zweitakt- und Viertakt-Dieselmotoren. Alle diese Motoren weisen Nachteile auf.

Bei Viertakt-Motoren wird der Einlaß unter Unterdruckbedingungen durchgeführt, wodurch ein Zug an dem Motor entsteht, insbesondere bei den hohen Unterdruckbedingungen, welche beim Drosseln des Motors vorliegen. Auch der Auspufftakt wirkt gegen einen relativ hohen Gegendruck, und dabei wird wiederum ein Druck oder Zug

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auf den. Motor ausgeübt. Herkömmliche Viertakt-Motoren umfassen bewegliche Ventile zum Einlassen und zum Ausstoßen, und durch die verschiedenen Elemente, welche zur Betätigung der Ventile notwendig sind, tritt ein beträchtlicher Leistungsverlust ein. Im Falle von Motoren mit geschichteter Ladung ist ein weiteres bewegliches Ventil erforderlich. Bei einem Viertakt-Motor muß der Kolben vor jedem Arbeitshub drei vorhergehende Hübe durchführen, welche jeweils durch die Reibung zu einem Leistungsverlust führen. Viertakt-Motoren können zwar so konstruiert und betrieben werden, daß sie eine geringe Schadstoffemission aufweisen, dieser Betrieb führt aber zur Verringerung des Wirkungsgrades.

Bei den üblichen Zweitakt-Motoren wird die Brennstoff-Luft-Ladung im Kurbelkasten komprimiert und durch die Bewegung des Kolbens in den Zylinder eingeführt. Die Kompression der Ladung und ihr Einsaugen in den Zylinder bewirkt einen erheblichen Druck auf den Motor und dabei einen Leistungsverlust. Solche Maschinen werden gedrosselt, indem der Lufteinlaß gesteuert wird, wobei ein unvollständiger Ausstoß erfolgt und gleichzeitig sowohl Leistung verloren geht als auch die Schadstoffemission erhöht wird. Üblicherweise wird dieser Motor dadurch geschmiert, daß öl in die Brennstoffladung und in den Zylinder eingeführt wird, wodurch die Schadstoffemission weiter ansteigt, da der größte Teil des Öls und ein Teil des Brennstoffs als unverbrannte Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden.

Drehkolben-Motoren sind schwer abzudichten, weisen hohe Reibungsverluste auf und emittieren obendrein relativ große Mengen von Schadstoffen.

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Dieselmotoren können entweder als Zweitakt- oder als Viertaktmas chinen ausgebildet sein, sie sind jedoch während der Zündung hohen Stoßbelastungen ausgesetzt, wodurch der Verschleiß erhöht ist. Die Viertakt-Motoren weisen alle bisher genannten Nachteile auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weniger komplizierte, geringe Schadstoffmengen ausstoßende Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Sie soll insbesondere einfach konstruiert sein. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Zweitakt-Maschine bzw. einen Zweitakt-Motor zu schaffen, dem der Brennstoff in geschichteter Lage zugeführt wird. Ferner soll der Motor bei jedem Arbeitstakt einen vollständigen Ausstoß aus dem Zylinder gewährleisten, indem lediglich frische Luft zugeführt wird. Darüber hinaus sollen Leistungsverluste aufgrund eines Unterdruckes und eines Ausstoßgegendruckes eliminiert werden.

Diese Aufgabe ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung betrifft somit einen Zweitakt-Motor mit ventillosen Auslaß- und Einlaßöffnungen in einer Zylinderwand. Die ausgestoßenen Gase treiben eine Turbinenpumpe an, welche frische Luft unter Druck zu den Einlaßöffnungen führt. Eine elektrisch angetriebene Pumpe liefert die frische Luft zum Starten des Motors. Eine Verdrängungspumpe zwingt eine Ladung aus einer fetten Brennstoff-Luft-Mischung von dem Vergaser in eine Kammer innerhalb des Kolbens durch miteinander ausgerichtete, ventillose Öffnungen in der Seitenwand des Kolbens und des Zylinders, wenn der Kolben sich in

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seiner unteren Stellung befindet. Die Kammer kommuniziert mit der Verbrennungskammer durch eine Öffnung in dem Ende des Kolbens. Während des Kompressionstaktes des Kolbens werden die frische Luft in der Brennkammer und die Brennstoff ladung in der Kammer komprimiert. Während der Kolben sich dem Ende des Kompressionshubes nähert, tritt eine Zündkerze, welche von der Oberseite des Zylinderkopfes nach unten vorsteht, in die Kammer ein und erzeugt eine starke Turbulenz zwischen der Luft und dem Brennstoff, und dann zündet die Zündkerze den Brennstoff in der Kammer. Der Vergaserkörper ist vollständig von einem Luftfilter umgeben, damit eventuell ausleckender Brennstoff von der umgebenden Atmosphäre ferngehalten wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Zeichnung und der Beschreibung hervor.·

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor, wobei einige Teile lediglich schematisch dargestellt sind,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1,

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Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 1,

Fig. 5 eine "bruchstückhafte Seitenansicht eines

Teils des Inneren des Zylinders des Motors,

Fig. 6 einen bruchstückhaften Schnitt durch den oberen Teil des Motors, wobei der Kolben in seiner oberen Position dargestellt ist, und

Fig. 7 eine bruchstückhafte Seitenansicht von der Linie 7-7 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte Motor umfaßt einen Motorblock 2, welcher aus Gußaluminium oder dergleichen so geformt ist, daß er Durchgänge 4 aufweist, welche einen Kühlmantel bilden, der eine Zylinderbüchse 6 umgibt, welche vorzugsweise aus Stahl oder dergleichen besteht. Das obere Ende des Zylinders 6 und des Motorblocks 2 sind von einem Zylinderkopf 8 bedeckt, welcher mit geeigneten Bolzen oder Schrauben 10 über Dichtungen 12 an dem Motorblock befestigt ist. Der Zylinderkopf 8 weist Kühlmanteldurchgänge 14 auf, welche mit den Durchgängen über Leitungen 16 kommunizieren. Der bisher beschriebene Aufbau kann als mehr oder weniger herkömmlich und bekannt bezeichnet werden. Es kann eine beliebige Kühlmittelumlaufseinrichtung verwendet werden. Ferner ist eine Befestigung für eine Zündkerze 18 am Zylinderkopf 8 derart vorgesehen, daß die Zündkerze nach unten in das Innere des Zylinders 6 vorsteht.

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Ein Kolben 20 ist in herkömmlicher Art verschiebbar in dem Zylinder 6 angeordnet und über eine Verbindungsstange 22 an einer Kurbelwelle 24 befestigt. Der Motor weist ferner eine ölwanne 26 auf, welche ein Schmiermittel 28 enthält, welches auf irgendeine herkömmliche Weise im Kreislauf zu allen Teilen des Motors geführt wird, welche eine Schmierung erfordern.

Die Zylinderbüchse 6 weist an ihrem Umfang angeordnet eine Reihe von Auslaßöffnungen 30 auf, welche alle mit einem Sammelkanal 32 in dem Motorblock 2 kommunizieren. Ein Rohrverbindungsstück 34 verbindet den Sammelkanal mit einer Auspuffleitung 36, welche die Auspuffgase zu einem turbinengetriebenen Vorverdichter 38 führt. Dieser Vorverdichter 38 weist eine Turbine auf, welche von den Auspuffgasen von der Auspuffleitung 36 angetrieben wird, welche dann durch die Leitung 40 an die Atmosphäre abgegeben werden. Der Vorverdichter 38 wird nicht im einzelnen beschrieben, da derartige Vorrichtungen bekannt sind.

Der Vorverdichter 38 der Pig. 7 umfaßt jedoch einen Propeller in einem Gehäuse 42, welches eine Lufteinlaßöffnung 44 und eine LuftabStrömungsleitung 46 aufweist. Die Turbine ist in einem Gehäuseabschnitt 48 untergebracht. Ein Hilfsgebläse 50, welches von einem Elektromotor 52 angetrieben wird, zieht frische Luft aus der Umgebung durch geeignete Filter 54 und führt sie zu dem Einlaß 44 des Gebläses 42. Der Zweck dieses Hilfsgebläses wird weiter unten beschrieben werden, es wird jedoch vermerkt, daß das Gebläse 50 stillgesetzt werden kann, während das Gebläse 42 Luft aus

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der Umgebung ungehindert durch das Gebläse 50 zieht. Es ist auch möglich, daß das Gebläse 50 der Leitung 46 Luft unter Druck zuführt, selbst wenn das Gebläse 42 stillsteht.

Frische Luft, welche unter Druck von dem Gebläse 42 oder dem Gebläse 50 geliefert wird, wird zu der Sammelkammer in dem Motorblock 2 geführt, welche mit einer zweiten Reihe von am Umfang der Zylinderbüchse 6 mit Abstand voneinander angeordneten Einlaßöffnungen 58 kommuniziert. Die Einlaßöffnungen 58 sind unterhalb der öffnungen 30 und relativ zu diesen gestaffelt angeordnet. Wie man aus der Figur sieht, erstrecken die Auslaßöffnungen 58 sich schräg durch die Zylinderbuchse, so daß einströmende Luft innerhalb des Zylinders nach oben und zwischen die Auslaßöffnungen 30 gerichtet wird.

In der Fig. Λ ist der Kolben 20 in der unteren Stellung dieses Arbeitstaktes dargestellt, in anderen Worten, am Ende des Verbrennungs- oder Ausdehnungstaktes, wobei die obere Oberfläche des Kolbens sich geringfügig oberhalb der unteren Ränder der Einlaßöffnungen 58 befindet. Wie man am besten in Fig. 3 sieht, weist der Kolben 20 am Umfang der oberen Oberfläche geneigte Ausschnitte 60 auf, von denen jeweils eine mit einer Einlaßöffnung 58 ausgerichtet ist, wenn die Teile sich in der dargestellten Position befinden. Diese Ausschnitte 60 unterstützen die Umlenkung der hereinströmenden frischen Luft nach oben und bewirken einen vollständigen und gründlichen Ausstoß aus dem Zylinder, wie es später beschrieben wird, und ferner ermöglichen sie es, große öffnungen vorzusehen, welche ein genaueres timing der Einlaß- und Ausstoßfunktionen ermöglicht.

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Wie man in Fig. 1 sieht, weist der Kolben 20 im Bereich seines oberen Endes die üblichen Kolbendichtringe 62 und im Bereich seines unteren Endes die üblichen Ölabstreifringe 64 auf. Die Länge des Kolbens 20 ist grosser als sein Hub, so daß dann, wenn der Kolben sich in seiner oberen, in Fig. 6 gezeigten Position befindet, der ölabstreifring 64 unterhalb sämtlicher öffnungen des Zylinders bleibt, einschließlich weiterer, noch zu beschreibender Öffnungen.

Der Kolben 20 weist ferner einen Hohlraum oder eine Kammer 66 auf, welche mit der Verbrennungskammer des Motors durch eine öffnung 68 in der oberen Oberfläche des Kolbens 20 kommuniziert. Wenn der Kolben 20 sich in seiner unteren Position befindet (Fig. 1), sind seitliche öffnungen 70, welche sich von der Kammer 66 zu der Seite des Kolbens erstrecken, mit Brennstofföffnungen 72 ausgerichtet, welche sich durch die Zylinderbüchse 6 erstrecken und mit weiteren Durchgängen 78 im Motorblock kommunizieren. Es wird darauf hingewiesen, daß die öffnung 68 mit der Zündkerze 18 axial ausgerichtet ist.

Ein mehr oder weniger herkömmlicher Vergaser, welcher von einem Drosselventil 82 gesteuert wird, ist vollständig innerhalb eines Luftfiltergehäuses 84 untergebracht. Auf diese Weise kann aus dem Vergaserkörper ausleckender Brennstoff nicht die umgebende Atmosphäre erreichen und auch nicht in den Vergasereinlaß eingesogen werden, und dadurch wird eine häufige Ursache von Luftverschmutzung eliminiert. Eine Verdrängungspumpe 86 ist lediglich schematisch dargestellt; sie wird von der Kurbelwelle 24 angetrieben, so daß ihr

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Einlaß direkt proportional zum Motoreinlaß ist. Die Pumpe 86 weist einen Eingang 88 auf, welcher mit dem Vergaser 80 kommuniziert, wodurch die Pumpe im Betrieb eine Mischung aus Luft und Brennstoff durch den Vergaser saugt und einer Sammelleitung 90 zuführt, von welcher Leitungen 92 die Mischung zu den Durchgängen richten. Wie man ferner in Fig. 1 sieht, weist die Auspuffleitung 36 ein Drosselventil 94- auf, welches in geeigneter Weise mit dem Drosselventil 82 so verbunden ist, daß sie gleichzeitig arbeiten können. Die gestrichelte Linie 96 soll diese Verbindung schematisch andeuten.

Wenn der beschriebene Motor gestartet werden soll, stehen keine Auspuffgase zur Verfügung, um die Turbinenpumpe 38 anzutreiben. Für den Start wird die Hilfspumpe 50 von dem Motor 52 so angetrieben, daß sie frische Luft in die Sammelkammer 56 fördert, während ein geeigneter "Starter" bewirkt, daß die Kurbelwelle 24- sich langsam so lange dreht, bis der Motor startet. Nachdem der Motor auf diese Weise gestartet worden ist, wird das Gebläse 50 stillgesetzt, entweder von Hand oder automatisch, und der Vorverdichter 38 übernimmt seine Funktion.

Während der Motor läuft und wenn die Teile die in Fig. 1 gezeigten Positionen eingenommen haben, wobei der Kolben einen Verbrennungs- oder Arbeitstakt beendet hat, (man spricht auch von Expansionstakt), haben die verbrannten Gase begonnen, durch die öffnungen 30 auszutreten, und frische Luft tritt unter Druck durch die Öffnungen 58 ein. Die eintretende

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Luft wird nach, oben umgelenkt, um alle Teile der verbrannten Gase aus der expandierten Brennkammer auszustoßen. Die Öffnungen 58 sind größer als die Öffnungen 30, und es strömt mehr frische Luft in den Motor als zum Auffüllen der Brennkammer notwendig wäre. Auf diese Weise gelangt bei jedem Takt des Kolbens ein Teil der Frischluft in die Ausgangsleitung 36. Bei jedem Takt werden heiße Auspuffgase, welche in die Auspuffleitung eintreten, mit Frischluft vom vorhergehenden Arbeitstakt gemischt, und jeglicher unverbrannter Brennstoff wird gegebenenfalls in der Auspuffleitung verbrannt, wodurch die Schadstoffemission reduziert und die an die Vorverstärkerturbine abgegebene Leistung erhöht werden, ohne daß der Kurbelwelle des Motors Energie entzogen werden würde.

Während die obigen Funktionen stattfinden, sind die öffnungen 70 mit den Öffnungen 72 ausgerichtet, und eine vorbestimmte Ladung einer fetten Brennstoff-Luft-Mischung wird in die Kammer 66 eingebracht. Es wird darauf hingewiesen, daß die längs dem Umfang anordneten Reihen von Öffnungen 30 und 58 im Bereich der öffnungen 68 und 72 unterbrochen sind, vgl. Fig. 5· Auf diese Weise gibt es keinen Luftstrom oder Gasstrom direkt über der öffnung 68, und nur wenig, falls überhaupt etwas, der Brennstoff-Luft-Mischung wird mit dem Abgasen während der Ausstoßzeit und während der Ladezeit hinausgespült. Die aus einer Brennstoff-Luft-Mischung bestehende Ladung ist vorherbestimmt und wird durch den Betrieb der Verdrängungspumpe 86 gesteuert, welche vorzugsweise in zeitlich abgestimmter Relation zu der Kurbelwelle 24- arbeitet.

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Wenn der Kolben sich aus der in Fig. 1 gezeigten Position nach oben bewegt, also beim Kompressionstakt, bedeckt er nacheinander zunächst die öffnungen 58 und danach die öffnungen 50, und bewegt die Öffnung 70 aus der Ausrichtung mit der Öffnung 72. Bei der fortgesetzten Aufwärtsbewegung des Kolbens werden sowohl die Frischluft in dem Zylinder als auch die Brennstoff-Luft-Mischung in der Kammer 66 komprimiert.

Die Fig. 6 zeigt den Kolben in der oberen Endposition des Kompressionstaktes, wobei der Kolben einen geringen Abstand vom Zylinderkopf 8 aufweist und zwischen beiden die Brennkammer begrenzt ist. Während der Kolben sich der in Fig. 6 gezeigten Position nähert, tritt das untere Ende der Zündkerze 18 in die öffnung 68 ein, und die Tendenz der Luft, in die Kammer 66 um die Zündkerze einzuströmen,und die Tendenz der Zündkerze, die Brennstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer zu verdrängen, führen zu einer Turbulenz und Mischung des Brennstoffs mit der Luft und zur Schaffung einer sehr mageren Brennstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer.

Etwa am oberen Ende des Kolbentaktes wird die Zündkerze in bekannter Weise so erregt, daß der Brennstoff in der Kammer 66 gezündet wird. Der Kolben bewegt sida dann bei diesem Arbeitstakt so weit nach unten, bis er die in Fig. 1 gezeigte Position erreicht, und dieser beschriebene Zyklus wird wiederholt. Der in der Kammer 66 verbrennende Brennstoff erzeugt offensichtlich den Druck, welcher den Brennstoff aus der Kammer 66 in die Brennkammer und in die darin befindliche Luft zwingt, wodurch eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad und die Fortpflanzung der Flamme von der Kammer 66 durch die gesamte Brennkammer erreicht werden.

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Wenn z.B. angenommen wird, daß die Verdichtung des Motors das Verhältnis 8:1 hat, beträgt das Volumen der Kammer ungefähr 1/5 des Volumens der in Pig. 6 gezeigten Brennkammer und etwa 1/40 des Volumens der in !"ig. 1 gezeigten, expandierten Kammer. Die Verschiebung der Verdrängungspumpe 86 beträgt etwa 1/10 des Volumens der expandierten Brennkammer bei voller Leistung und wird im Leerlauf auf etwa 1/4 dieses Betrages gedrosselt (1/40 des expandierten Brennkammervolumens), vgl. Fig. 1. Der Vergaser 80 sollte vorzugsweise eine Mischung mit einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von etwa 1,77:1 liefern; dies würde insgesamt ein Luft/Brennetoff-Verhältnis von 17j7^:1 und bei Vollgas im Leerlauf ein Verhältnis von 70,8:1 geben. Bei Zündung in der Brennkammer 66 beträgt somit das Luft/ Brennstoff-Verhältnis etwa 14,16:1 im Leerlauf und etwa 9,33:1 bei Vollgas. Dieser Mischungsbereich ist für Zündungen ideal.

Der Vorverdichter 38 und/oder das Gebläse 50 können Verdrängungsgebläse oder Verdrängungspumpen sein.

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Claims

Ansprüche

Zweitaktmotor mit einem Zylinder und einem darin hin- und herbewegbaren Kolben, welcher mit dem Zylinder eine expandierbare Brennkammer bildet, mit Auslaß- und Einlaßöffnungen in einer Seitenwand des genannten Zylinders in einer Position, in der sie zu der genannten Brennkammer nur dann geöffnet sind, wenn der Kolben sich nahe des Expansionstaktes befindet, wobei die Brennkammer nahezu ihr maximales Volumen annimmt, gekennzeichnet

durch eine Luftpumpe (42) mit einem Eingang (4-0), welcher mit der umgebenden Frischluft kommuniziert, und mit einem Luftverdichter (38)» welcher mit den genannten Öffnungen (58) kommuniziert,

durch eine Kammer (66), welche im oberen Ende des genannten Kolbens (20) eine Hilfsvorverbrennungskammer bildet, welche mit der Brennkammer durch eine Öffnung (68) in einem Ende des Kolbens kommuniziert, welcher an seiner einen Seite einen Durchgang (70) zu der Kammer aufweist, und durch eine in der Seitenwand des Zylinders ausgebildete Luft-Brennstoff-Öffnung (78), welche mit dem Durchgang (70) ausgerichtet ist, wenn der Kolben (20) sich am Ende seines Expansionstaktes befindet,

durch eine Ladungseinrichtung, welche einen Vergaser (80) und eine Verdrängungsladungspumpe (86) umfaßt, welche so angeordnet ist, daß sie eine fette Brennstoff-Luft-Mischung aus dem Vergaser (80)

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ansaugt und eine vorbestimmte Menge davon unter Druck an die genannte Luft-Brennstoff-Öffnung (78) bei jedem Hub des genannten Kolbens abgibt,

und dadurch, gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (30), die Einlaßöffnungen (58) und die Luft-Brennstoff -Öffnungen (78, 70) so angeordnet sind, daß bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (20) zuerst die Auslaßöffnungen (30) freigegeben werden, danach die Einlaßöffnungen (58), um frische Luft hereinzulassen und die Brennkammer durchzuspülen, und schließlich der Durchgang (70) mit der Brennstofföffnung (68) ausgerichtet werden, damit eine vorbestimmte Ladung einer unter Druck stehenden fetten Luft-Brennstoff-Mischung in die Kammer eingelassen wird.
2. Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftpumpe (40) eine turbinengetriebene Pumpe ist, welche Einrichtungen aufweist, die Auspuffgase von den Auslaßöffnungen (30} zu der Turbine leitet, und welche so angeordnet sind, daß die Menge der an die Einlaßöffnungen (58) gelieferten Druckluft größer als die Luftmenge ist, welche zur Ausfüllung der Brennkammer bei ihrem maximalen "Volumen ausreichen würde.
3. Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kammer (66) etwa 1/40 des maximalen Volumens der Brennkammer und etwa 1/5 des minimalen Volumens der Brennkammer beträgt.

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4. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (86) eine Verdrängungspumpe ist, welche in zeitlich abgestimmter Relation mit den Takten des Kolbens (20) arbeitet.
5. Zweitaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (18) sich in Ausrichtung mit der genannten Öffnung (68) in die Brennkammer hinein erstreckt, wodurch die Zündkerze in die Kammer (66) eintritt, wenn der Kolben (20) sich.dem oberen Ende seines Kompressionstaktes nähert, wodurch ein Teil der fetten Luft-Brennstoff-Mischung in die Brennkammer verschoben wird.

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