EP1195503A2 - Combustion engine - Google Patents

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EP1195503A2
EP1195503A2 EP01123546A EP01123546A EP1195503A2 EP 1195503 A2 EP1195503 A2 EP 1195503A2 EP 01123546 A EP01123546 A EP 01123546A EP 01123546 A EP01123546 A EP 01123546A EP 1195503 A2 EP1195503 A2 EP 1195503A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
combustion chamber
combustion
air
cylinder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01123546A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1195503A3 (en
Inventor
Edmund Ferdinand Nagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heinzle Friedrich
Original Assignee
Heinzle Friedrich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heinzle Friedrich filed Critical Heinzle Friedrich
Publication of EP1195503A2 publication Critical patent/EP1195503A2/en
Publication of EP1195503A3 publication Critical patent/EP1195503A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
    • F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
    • F02B33/08—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with the working-cylinder head arranged between working and pumping cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F01B2009/061—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces by cams
    • F01B2009/065—Bi-lobe cams

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a combustion chamber for the clocked Combustion of a fuel to form a combustion gas, one connected to the combustion chamber via a controllable combustion chamber outlet valve, separate expansion chamber that has a slidably mounted Piston for converting the energy of the combustion gas into mechanical work or has energy, and one or more as piston-cylinder units trained compressor pumps for filling the combustion chamber with compressed air, each having an air inlet valve.
  • Internal combustion engines are known in different embodiments, for example than conventional petrol or diesel engines. Are also known Internal combustion engines with one of the combustion chamber in which the fuel is burned in a clocked manner to form a combustion gas, separate expansion chamber, the one with the combustion chamber via a controllable inlet valve connected is. A piston is slidably mounted in the expansion chamber, by means of the energy of the combustion gas in mechanical energy or work is implemented.
  • Such internal combustion engines are, for example, from EP 0 957 250 A2, AT-PS 172 823, CH-PS 202 930, FR-PS 820 750, the DE-PS 4 136 223 and US-PS 4,716,720 known.
  • the advantage of these internal combustion engines consists in particular in the fact that the combustion combustion gas formed in the expansion stroke in the expansion chamber completely can relax, making the energy of the combustion gas better can be exploited.
  • Filling the combustion chamber with a fuel-air mixture can be done at atmospheric pressure or compressed.
  • the air in the combustion chamber is already known to have its own compressor pump to use, for example from DE-PS 4 136 223 and the US-PS 4,716,720.
  • Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine with a Combustion chamber for the timed combustion of a fuel to form a Combustion gas, one with the combustion chamber via a controllable combustion chamber exhaust valve connected, separate expansion chamber, the one slidably mounted piston for converting energy of the combustion gas in mechanical work or energy, and one or more than Piston-cylinder units designed compressor pumps for filling the Combustion chamber with compressed air, with the respective air inlet valve in the Compressor pump provided a check valve biased in the closing direction is, which comprises a valve plate arranged on a valve stem.
  • Such an internal combustion engine is, for example, from that already mentioned DE 4 136 223 C1 known.
  • a type of "air spring” is thus provided which measures the closing force of the valve pretends.
  • the spring constant of this air spring is adjustable.
  • the check valve opens only when the closing force in the cylinder of the compressor pump Existing negative pressure is exceeded and the size of the opening depends of the closing force given by the air spring compared to the negative pressure in the cylinder of the compressor pump.
  • At least two pistons in the schematic representation according to FIG. 1 are preferably driven on the Synchronous pistons 1 acting from opposite sides of shaft 2 intended.
  • One, two or more pairs of such opposing, each synchronously clocked pairs of pistons 1 in each Cylinders may be provided.
  • At least the opposite pistons or all pistons can have the same inner and outer cam surfaces 3, 4 of the cam mechanism and explained in more detail later separate thrust links in the form of rollers 6 arranged on the piston rods act on the driven shaft 2.
  • Each piston 1 has at least one combustion chamber 7 for clocked combustion assigned to a fuel.
  • the combustion chamber is made of a jacket surrounded by heat-insulating material. Ignition takes place only in the start phase the fuel-air mixture with a spark plug 9. Heat continuously the walls of the combustion chamber 7 above the autoignition temperature of the fuel (to over 700 ° C) and the ignition of the fuel takes place directly when it is injected into the combustion chamber 7, if it is on the walls thereof occurs. Water is preferably injected together with the fuel, in order to lower the combustion temperature, which in particular leads to a reduction in NOx leads.
  • the fuel and water injectors are shown in Fig. 1 only shown schematically as unit 10, the supply of the fuel indicated by the arrow V and the supply of water by the arrow VI are.
  • the combustion chamber 7 is connected to a controllable combustion chamber outlet valve 11 an expansion chamber 12 separated from the combustion chamber 7, which is designed as a cylinder space in which the piston 1 is slidably mounted is.
  • a heat-insulating layer 14 is 15, preferably made of a ceramic material, on the inside of the cylinder head 16 and on the expansion chamber 12 facing the top of the Piston 1 arranged. Only the cylinder wall 17 has no such thermal insulation on.
  • a piston seal 18 made of plastic can be used can (preferably made of graphite-Teflon, which up to about 250 ° C permanent temperature is stable). Such a piston seal 18 is water-lubricable.
  • the air inlet valve 24 comprises a valve plate 26, which is connected to a valve stem 27 is arranged.
  • the valve stem 27 simultaneously forms one with a piston 28 connected piston rod of a piston-cylinder unit 31.
  • the cylinder chamber 32 This piston-cylinder unit is filled with air, the air pressure being one in Closing direction of the air inlet valve 24 causes force.
  • a unit 33 comprising an air pump can be changed.
  • This air pressure poses thus a kind of "air spring", the spring constant of which can be changed.
  • the air intake valve opens only when the negative pressure in the cylinder chamber 25, the closing force of the Air intake valve 24 overcomes.
  • the expansion chamber exhaust valve 30 includes those in the longitudinal direction of the cylinder sliding cylinder wall 17.
  • the cylinder wall 17 against one in one annular groove in the cylinder head 16 arranged sealing ring 35 pressed, namely against the force of one in the opening direction of the expansion chamber outlet valve acting spring 34.
  • the open position there is an annular outlet opening Approved.
  • a cam control is provided to act on the displaceable cylinder wall 17 in the position pressed against the sealing ring 35 .
  • a cam control is provided to act on the displaceable cylinder wall 17 in the position pressed against the sealing ring 35.
  • the combustion chamber exhaust valve 11 is also controlled by a cam actuated, a roller 46 which is on a lever arm of a pivotable Lever 47 is mounted, rolls over a cam disc 48.
  • the one on this cam disc 48 arranged cams operate with the other lever arm the lever 47 connected pin 49 and the lever 50 the combustion chamber exhaust valve 11th
  • Various conventionally designed pumping devices can be used for injecting the fuel and the water into the combustion chamber 7 and for injecting the water into the expansion chamber 12, for example cam pumps driven by the shaft 2.
  • a roller 6 is rotatably mounted. This is arranged between inner and outer cam surfaces 3, 4. The distance between the two cam surfaces 3, 4 is slightly larger than the diameter of the roller 6, so that the roller 6, which acts as a thrust member of the cam mechanism, can roll either on the inner cam surface 3 or the outer cam surface 4.
  • the shaft 2 When the roller 6 rolls on the inner cam surface 3 during the downward movement of the piston 1 from the top dead center to the bottom dead center, the shaft 2 is supplied with energy (by the excess pressure of the expanding combustion gas) if the roller 6 on the downward movement of the piston rolls outer curve surface 4, the shaft 2 drives the piston (this allows the combustion gas in the expansion chamber 12 to be diluted to below atmospheric pressure, as will be explained further below). In contrast, when piston 1 moves upward from bottom dead center in the direction of top dead center, energy is supplied to shaft 2 when roller 6 rolls on outer cam surface 4.
  • the inner and outer curved surfaces 3, 4 are each circumferentially closed outer surfaces.
  • the curved surfaces 3, 4 each have three sections along their circumference, which are explained below with reference to the inner curved surface 3.
  • the first section 53 the distance of the cam surface from the center of the shaft 2 decreases rapidly, then slowly. This section is associated with the downward movement of the piston from top dead center to bottom dead center. The initially rapid decrease in the distance corresponds to the initially rapid decrease in the pressure in the expansion chamber.
  • a spring device 56 is provided between the piston 1 and the rod 5 actuated by the piston 1 and driving the shaft 2 via the cam mechanism described.
  • This includes compression springs 57, which are designed here as disc springs.
  • the compression springs are arranged between a pressure plate 58 fixed on the rod 5 and the rear side of the piston 1 facing away from the expansion chamber 12.
  • at least three compression springs are provided, which are arranged at the corner points of an imaginary triangle; in the exemplary embodiment shown, four compression springs are provided at the corner points of an imaginary square, whereby the pressure plate 58 is formed by two crossing arms.
  • the plate springs 57 are also biased by screws 59.
  • the piston 1 therefore only moves in relation to the pressure plate 58 when a force exceeding this preload is exerted on the piston. This in turn prevents the piston from tilting during its upward movement due to the force acting asymmetrically on the piston 1 by the compressor piston 21.
  • the piston rod 22 could engage centrally on the piston 1, ie, be aligned with the rod 5 (the combustion chamber 7 would have to be moved further to the side).
  • a single, central compression spring 57 between the base of the piston 1 and the rod 5 would suffice, the prestressing of the spring also being omitted.
  • the spring device is designed such that it in a first phase the downward movement of the piston 1 thereon from the combustion gas opening the combustion chamber exhaust valve 11 on the piston 1 Can absorb pressure peaks and stores them as potential energy. This will the maximum pressure exerted on the rod 5 is reduced, as is the case with the 2 can be seen.
  • the pressure without the spring device 56 would be exerted on the rod (and which rests on the piston 1) is by the dashed line 60 shown. Due to the spring device, the Pressure curve corresponding to the solid line 61. The maximum pressure is therefore much lower.
  • the in the first phase of the downward movement of the Piston energy stored by the spring device is hatched by the Surface 62 shown. In a further phase of the downward movement of the piston at a lower pressure of the combustion gas, this is stored potential energy in turn is delivered to the rod 5. This delivered Energy corresponds to area 63.
  • the clock cycle of the internal combustion engine thus runs as follows:
  • the Piston 1 After the fuel-air mixture has completely burned off, the Piston 1 is still at top dead center OT, the expansion chamber exhaust valve 30 closed and the combustion chamber exhaust valve 11 open. As a result, the pressure in the expansion chamber 12 initially rises rapidly on and then gradually sinks again with the piston 1 running downwards from. At full load, the pressure in expansion chamber 12 is a preferred one Operation just dropped to atmospheric pressure when the piston 1 has reached bottom dead center UT. In this case, at partial load the engine has already reached atmospheric pressure while the piston 1 is still on its way from top dead center to bottom dead center. In As a result, the pressure in the expansion chamber drops in partial load operation 12 under atmospheric pressure. The combustion gas is thereby "diluted" before the implosion phase is initiated.
  • the implosion phase is initiated as soon as piston 1 has reached bottom dead center UT, by injecting cooling water into the expansion chamber 12.
  • the Piston 1 is pulled up by this vacuum and moves now from bottom dead center towards top dead center.
  • the combustion chamber exhaust valve 11 is still kept moving, to enable the exchange of charges in the combustion chamber 7.
  • the Full load of the engine corresponds to the maximum power output at the respective speed, for which the engine is designed.
  • a throttled could Air intake valve z. B. also in the form of an electromagnetic valve become.

Abstract

The engine has a combustion chamber, connected via an outlet valve to an expansion chamber, and several compressor pumps (23) with air intake valves. Each intake valve (24) may be throttled. The volume of the cylinder chamber (25) of a compressor pump, or the complete volume of all pump cylinder chambers, is larger by at least 25%, pref. at least 50%, than the volume for filling the combustion chamber (7) with a mixture having an air ratio of alpha = 1, for a fuel volume introduced for full engine load.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffs unter Bildung eines Verbrennungsgases, einer mit der Brennkammer über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil verbundenen, separaten Expansionskammer, die einen verschiebbar gelagerten Kolben zur Umsetzung von Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit bzw. Energie aufweist, und einer oder mehreren als Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildeten Verdichterpumpen zur Befüllung der Brennkammer mit verdichteter Luft, die jeweils ein Lufteinlaßventil aufweisen.The invention relates to an internal combustion engine with a combustion chamber for the clocked Combustion of a fuel to form a combustion gas, one connected to the combustion chamber via a controllable combustion chamber outlet valve, separate expansion chamber that has a slidably mounted Piston for converting the energy of the combustion gas into mechanical work or has energy, and one or more as piston-cylinder units trained compressor pumps for filling the combustion chamber with compressed air, each having an air inlet valve.

Verbrennungsmotoren sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt, beispielsweise als herkömmliche Otto- oder Dieselmotoren. Bekannt sind weiters Verbrennungsmotoren mit einer von der Brennkammer, in welcher der Treibstoff unter Bildung eines Verbrennungsgases getaktet verbrannt wird, getrennten Expansionskammer, die mit der Brennkammer über ein steuerbares Einlaßventil verbunden ist. In der Expansionskammer ist ein Kolben verschiebbar gelagert, mittels dem Energie des Verbrennungsgases in mechanische Energie bzw. Arbeit umgesetzt wird. Solche Verbrennungsmotoren sind beispielsweise aus der EP 0 957 250 A2, der AT-PS 172 823, der CH-PS 202 930, der FR-PS 820 750, der DE-PS 4 136 223 und der US-PS 4,716,720 bekannt. Der Vorteil dieser Verbrennungsmotoren besteht insbesondere darin, daß sich das bei der Verbrennung gebildete Verbrennungsgas im Expansionstakt in der Expansionskammer vollständig entspannen kann, wodurch die Energie des Verbrennungsgases besser ausgenützt werden kann. Die Befüllung der Brennkammer mit Treibstoff-Luft-Gemisch kann bei Atmosphärendruck oder verdichtet erfolgen. Für die Verdichtung der Luft in der Brennkammer ist es bereits bekannt, eine eigene Verdichterpumpe zu verwenden, beispielsweise aus der DE-PS 4 136 223 und der US-PS 4,716,720.Internal combustion engines are known in different embodiments, for example than conventional petrol or diesel engines. Are also known Internal combustion engines with one of the combustion chamber in which the fuel is burned in a clocked manner to form a combustion gas, separate expansion chamber, the one with the combustion chamber via a controllable inlet valve connected is. A piston is slidably mounted in the expansion chamber, by means of the energy of the combustion gas in mechanical energy or work is implemented. Such internal combustion engines are, for example, from EP 0 957 250 A2, AT-PS 172 823, CH-PS 202 930, FR-PS 820 750, the DE-PS 4 136 223 and US-PS 4,716,720 known. The advantage of these internal combustion engines consists in particular in the fact that the combustion combustion gas formed in the expansion stroke in the expansion chamber completely can relax, making the energy of the combustion gas better can be exploited. Filling the combustion chamber with a fuel-air mixture can be done at atmospheric pressure or compressed. For compaction The air in the combustion chamber is already known to have its own compressor pump to use, for example from DE-PS 4 136 223 and the US-PS 4,716,720.

Bei solchen Motoren tritt ebenso wie bei herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren das Problem auf, daß bei hohen Motordrehzahlen und bei Vollast des Motors durch die inhärente Drosselwirkung des Einlaßventils bzw. des Luft-Befüllweges eine für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Luftzahl von mindestens λ = 1 ohne besondere Maßnahmen nicht mehr erreicht werden kann. Bei herkömmlichen Otto- oder Dieselmotoren werden zur Überwindung dieses Problems beispielsweise Turbolader eingesetzt.Such engines occur just like conventional gasoline and diesel engines the problem that at high engine speeds and at full load of the engine due to the inherent throttling effect of the inlet valve or the air filling path an air ratio required for stoichiometric combustion of at least λ = 1 can no longer be achieved without special measures can. With conventional gasoline or diesel engines are to be overcome This problem, for example, used turbochargers.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise auch bei der höchsten Motordrehzahl eine Luftzahl von mindestens λ = 1 jedenfalls erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß das Lufteinlaßventil in die Verdichterpumpen drosselbar ist und daß das Volumen des Zylinderraums der Verdichterpumpe oder, im Falle mehrerer Verdichterpumpen, das Gesamtvolumen der Zylinderräume der Verdichterpumpen um mindestens 25 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer ist, als es einem Volumen für eine Befüllung der Brennkammer mit einem Gemisch mit einer Luftzahl von λ = 1 bei einer bei Voll-last des Motors eingebrachten Menge an Treibstoff entspricht.The object of the invention is an internal combustion engine of the type mentioned Provide type in a simple manner even at the highest engine speed an air ratio of at least λ = 1 can be achieved in any case. According to the invention this problem is solved in that the air inlet valve in the Compressor pumps can be throttled and that the volume of the cylinder space Compressor pump or, in the case of several compressor pumps, the total volume the cylinder spaces of the compressor pumps by at least 25%, preferably is at least 50% larger than a volume for filling the Combustion chamber with a mixture with an air ratio of λ = 1 at a full load amount of fuel brought into the engine.

Es wird dadurch sichergestellt, daß auch bei der höchsten Motordrehzahl eine Luftzahl von mindestens λ = 1 jedenfalls erreicht werden kann, und zwar ohne weitere, herkömmlicherweise vorgesehene aufwendige Maßnahmen. Wird bei geringerer Drehzahl des Motors bzw. bei Teillast eine lediglich geringere Luftmenge benötigt, so kann das Einlaßventil entsprechend gedrosselt werden.This ensures that even at the highest engine speed Air ratio of at least λ = 1 can be achieved in any case, and without further, conventionally provided complex measures. Is at lower engine speed or only a smaller amount of air at partial load required, the inlet valve can be throttled accordingly.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffs unter Bildung eines Verbrennungsgases, einer mit der Brennkammer über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil verbundenen, separaten Expansionskammer, die einen verschiebbar gelagerten Kolben zur Umsetzung von Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit bzw. Energie aufweist, und einer oder mehreren als Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildeten Verdichterpumpen zur Befüllung der Brennkammer mit verdichteter Luft, wobei als jeweiliges Lufteinlaßventil in die Verdichterpumpe ein in Schließrichtung vorgespanntes Rückschlagventil vorgesehen ist, das einen an einem Ventilschaft angeordneten Ventilteller umfaßt.Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine with a Combustion chamber for the timed combustion of a fuel to form a Combustion gas, one with the combustion chamber via a controllable combustion chamber exhaust valve connected, separate expansion chamber, the one slidably mounted piston for converting energy of the combustion gas in mechanical work or energy, and one or more than Piston-cylinder units designed compressor pumps for filling the Combustion chamber with compressed air, with the respective air inlet valve in the Compressor pump provided a check valve biased in the closing direction is, which comprises a valve plate arranged on a valve stem.

Ein derartiger Verbrennnungsmotor ist beispielsweise aus der bereits genannten DE 4 136 223 C1 bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor dieser Art bereitzustellen, bei dem die in die Brennkammer eingebrachte Luftmenge in einfacher Weise steuerbar ist. Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß das Lufteinlaßventil drosselbar ist und daß das Volumen des Zylinderraums der Verdichterpumpe oder, im Falle mehrerer Verdichterpumpen, das Gesamtvolumen der Zylinderräume der Verdichterpumpen um mindestens 25 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer ist, als es einem Volumen für eine Befüllung der Brennkammer mit einem Gemisch mit einer Luftzahl von λ = 1 bei einer bei Voll-last des Motors eingebrachten Menge an Treibstoff entspricht.Such an internal combustion engine is, for example, from that already mentioned DE 4 136 223 C1 known. The object of the invention is an internal combustion engine to provide this type, in which the amount of air introduced into the combustion chamber is easily controllable. According to the invention, this is achieved by that the air intake valve is throttled and that the volume of the cylinder space the compressor pump or, in the case of several compressor pumps, the total volume the cylinder spaces of the compressor pumps by at least 25%, preferably is at least 50% larger than a volume for filling the Combustion chamber with a mixture with an air ratio of λ = 1 at a full load amount of fuel brought into the engine.

Es wird somit eine Art "Luftfeder" bereitgestellt, welche die Schließkraft des Ventils vorgibt. Die Federkonstante dieser Luftfeder ist einstellbar. Das Rückschlagventil öffnet erst, wenn die Schließkraft durch den im Zylinder der Verdichterpumpe vorliegenden Unterdruck überstiegen wird und die Größe der Öffnung hängt von der durch die Luftfeder vorgegebenen Schließkraft im Vergleich zum Unterdruck im Zylinder der Verdichterpumpe ab. In Abhängigkeit von der Schließkraft wird daher während der Abwärtsbewegung des Kolbens der Verdichterpumpe somit mehr oder weniger Luft in den Zylinder der Verdichterpumpe gefördert (d.h., am unteren Totpunkt des Kolbens der Verdichterpumpe herrscht ein mehr oder weniger großer Unterdruck im Zylinderraum der Verdichterpumpe), da auch im geöffneten Zustand das Rückschlagventil in Abhängigkeit vom Grad seiner Öffnung einen gewissen Strömungswiderstand hat, so daß das Einströmen von Luft in den Zylinderraum der Verdichterpumpe nicht beliebig schnell erfolgen kann. Diese Luftmenge wird bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens der Verdichterpumpe in die Brennkammer verdichtet.A type of "air spring" is thus provided which measures the closing force of the valve pretends. The spring constant of this air spring is adjustable. The check valve opens only when the closing force in the cylinder of the compressor pump Existing negative pressure is exceeded and the size of the opening depends of the closing force given by the air spring compared to the negative pressure in the cylinder of the compressor pump. Depending on the closing force is therefore during the downward movement of the piston of the compressor pump thus more or less air is pumped into the cylinder of the compressor pump (i.e., At the bottom dead center of the piston of the compressor pump there is more or less large negative pressure in the cylinder chamber of the compressor pump), since also in the opened the check valve depending on the degree of its opening has a certain flow resistance, so that the inflow of air into the cylinder chamber of the compressor pump cannot take place as quickly as desired. This amount of air becomes during the subsequent upward movement of the piston the compressor pump compresses into the combustion chamber.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigt:

  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors und
  • Fig. 2den Druckverlauf in der Expansionskammer.
    • Further advantages and details of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. In this shows:
  • Fig. 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of an internal combustion engine according to the invention and
  • 2 shows the pressure curve in the expansion chamber.

    • Obwohl in der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 nur ein einzelner Kolben 1 dargestellt ist, sind bevorzugterweise mindestens zwei auf die angetriebene Welle 2 von gegenüberliegenden Seiten wirkende, synchron laufende Kolben 1 vorgesehen. Es können dabei ein, zwei oder mehrere Paare von solchen gegenüberliegenden, jeweils synchron getakteten Paaren von Kolben 1 in jeweiligen Zylindern vorgesehen sein. Zumindest die jeweils gegenüberliegenden Kolben oder auch alle Kolben können dabei über dieselben inneren und äußeren Kurvenflächen 3, 4 des später noch genauer erläuterten Kurvengetriebes und jeweils eigene Schubglieder in Form von an den Kolbenstangen angeordneten Rollen 6 auf die angetriebene Welle 2 wirken.Although only a single piston in the schematic representation according to FIG. 1 1, at least two are preferably driven on the Synchronous pistons 1 acting from opposite sides of shaft 2 intended. One, two or more pairs of such opposing, each synchronously clocked pairs of pistons 1 in each Cylinders may be provided. At least the opposite pistons or all pistons can have the same inner and outer cam surfaces 3, 4 of the cam mechanism and explained in more detail later separate thrust links in the form of rollers 6 arranged on the piston rods act on the driven shaft 2.

    Jedem Kolben 1 ist mindestens eine Brennkammer 7 zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffes zugeordnet. Die Brennkammer ist von einem Mantel aus einem wärmeisolierenden Material umgeben. Nur in der Startphase erfolgt die Zündung des Treibstoff-Luftgemisches durch eine Zündkerze 9. Im Dauerbetrieb erhitzen sich die Wandungen der Brennkammer 7 über die Selbstentzündungstemperatur des Treibstoffes (auf über 700° C) und die Zündung des Treibstoffes erfolgt direkt bei dessen Einspritzung in die Brennkammer 7, wenn er auf deren Wandungen auftritt. Zusammen mit dem Treibstoff wird bevorzugterweise Wasser eingespritzt, um die Verbrennungstemperatur zu erniedrigen, was insbesondere zu einer NOx-Reduktion führt. Die Einspritzdüsen für den Treibstoff und das Wasser sind in Fig. 1 nur schematisch als Einheit 10 dargestellt, wobei die Zuführung des Treibstoffes durch den Pfeil V und die Zuführung des Wassers durch den Pfeil VI angedeutet sind.Each piston 1 has at least one combustion chamber 7 for clocked combustion assigned to a fuel. The combustion chamber is made of a jacket surrounded by heat-insulating material. Ignition takes place only in the start phase the fuel-air mixture with a spark plug 9. Heat continuously the walls of the combustion chamber 7 above the autoignition temperature of the fuel (to over 700 ° C) and the ignition of the fuel takes place directly when it is injected into the combustion chamber 7, if it is on the walls thereof occurs. Water is preferably injected together with the fuel, in order to lower the combustion temperature, which in particular leads to a reduction in NOx leads. The fuel and water injectors are shown in Fig. 1 only shown schematically as unit 10, the supply of the fuel indicated by the arrow V and the supply of water by the arrow VI are.

    Die Brennkammer 7 ist über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil 11 mit einer von der Brennkammer 7 getrennten Expansionskammer 12 verbunden, die als Zylinderraum ausgebildet ist, in welchem der Kolben 1 verschiebbar gelagert ist. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist eine wärmeisolierende Schicht 14, 15, vorzugsweise aus einem keramischen Material, an der Innenseite des Zylinderkopfes 16 und an der Expansionskammer 12 zugewandten Oberseite des Kolbens 1 angeordnet. Lediglich die Zylinderwand 17 weist keine derartige Wärmeisolierung auf.The combustion chamber 7 is connected to a controllable combustion chamber outlet valve 11 an expansion chamber 12 separated from the combustion chamber 7, which is designed as a cylinder space in which the piston 1 is slidably mounted is. In order to avoid heat loss, a heat-insulating layer 14 is 15, preferably made of a ceramic material, on the inside of the cylinder head 16 and on the expansion chamber 12 facing the top of the Piston 1 arranged. Only the cylinder wall 17 has no such thermal insulation on.

    Zum Einspritzen von Wasser in die Expansionskammer 12 zur Einleitung einer Implosionsphase anschließend an die Expansionsphase, wenn der Kolben 1 den unteren Totpunkt UT erreicht hat, ist eine in die Expansionskammer 12 mündende Einspritzdüse 19 für Wasser vorgesehen. Diese weist eine kreisförmige Düsenöffnung oder mehrere entlang eines Kreisumfangs angeordnete Düsenöffnungen auf, wodurch Wasser unter einem flachen Winkel in Richtung der Zylinderwand 17 gesprüht wird. Diese Wassereinspritzung dient auch zur Kühlung der Zylinderwand 17, so daß eine Kolbendichtung 18 aus Kunststoff verwendet werden kann (vorzugsweise aus Graphit-Teflon, der bis etwa 250° C Dauertemperatur beständig ist). Eine derartige Kolbendichtung 18 ist wasserschmierbar. For injecting water into the expansion chamber 12 to introduce a Implosion phase subsequent to the expansion phase when the piston 1 the has reached bottom dead center UT is one that opens into the expansion chamber 12 Injector 19 provided for water. This has a circular nozzle opening or several nozzle openings arranged along a circumference on, causing water at a flat angle towards the cylinder wall 17 is sprayed. This water injection also serves to cool the Cylinder wall 17 so that a piston seal 18 made of plastic can be used can (preferably made of graphite-Teflon, which up to about 250 ° C permanent temperature is stable). Such a piston seal 18 is water-lubricable.

    Der nach dem Einspritzen des Wassers in die Expansionskammer sich ausbildende Unterdruck unterstützt einerseits die Spülung der Brennkammer 7, andererseits wird dadurch der Kolben 1 nach oben in Richtung seines oberen Totpunktes OT gezogen. Der Kolben 1 ist über die Kolbenstange 22 mit dem Verdichterkolben 21 einer von einer Kolben-Zylinder-Einheit gebildeten Verdichterpumpe 23 verbunden. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 und des damit verbundenen Verdichterkolbens 21 öffnet sich das als selbstschließendes Rückschlagventil ausgebildete Lufteinlaßventil 24 und Luft strömt in den Zylinderraum 25 ein. Bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 bzw. Verdichterkolbens 21 öffnet sich das ebenfalls als selbstschließendes Rückschlagventil ausgebildete Luftauslaßventil 29 und Luft, die zu einem entsprechenden Verdichterdruck führt, wird in die Brennkammer 7 eingepreßt. Auf dem Verdichterkolben 21 ist ein Kissen 20 aus verformbarem Material angeordnet, damit in der obersten Stellung dieses Kolbens alle Luft aus dem Zylinderraum 25 gepreßt wird, welche andernfalls als "Luftfeder" wirken würde, die zu unnötigen Verlusten führen würde.The one that forms after the water is injected into the expansion chamber Negative pressure on the one hand supports the purging of the combustion chamber 7, on the other hand this causes the piston 1 to move upwards towards its top dead center OT drawn. The piston 1 is via the piston rod 22 with the compressor piston 21 of a compressor pump 23 formed by a piston-cylinder unit connected. During the downward movement of the piston 1 and the associated Compressor piston 21 opens as a self-closing check valve trained air inlet valve 24 and air flows into the cylinder chamber 25. at the subsequent upward movement of the piston 1 or compressor piston 21 opens, which is also designed as a self-closing check valve Air outlet valve 29 and air which leads to a corresponding compressor pressure, is pressed into the combustion chamber 7. On the compressor piston 21 is a pillow 20 arranged from deformable material, so in the top position this piston, all air is pressed out of the cylinder space 25, which otherwise would act as an "air spring" that would lead to unnecessary losses.

    Das Lufteinlaßventil 24 umfaßt einen Ventilteller 26, der an einem Ventilschaft 27 angeordnet ist. Der Ventilschaft 27 bildet gleichzeitig eine mit einem Kolben 28 verbundene Kolbenstange einer Kolben-Zylinder-Einheit 31. Der Zylinderraum 32 dieser Kolben-Zylinder-Einheit ist mit Luft befüllt, wobei der Luftdruck eine in Schließrichtung des Lufteinlaßventils 24 wirkende Kraft hervorruft. Zur Änderung der Schließkraft des Lufteinlaßventils 24 ist der Luftdruck im Zylinderraum über eine eine Luftpumpe umfassende Einheit 33 veränderbar. Dieser Luftdruck stellt somit eine Art "Luftfeder" dar, deren Federkonstante veränderbar ist. Das Lufteinlaßventil öffnet erst, wenn der Unterdruck im Zylinderraum 25 die Schließkraft des Lufteinlaßventils 24 überwindet. Durch die begrenzte Einströmgeschwindigkeit der Luft durch das Lufteinlaßventil 24 herrscht, wenn der Verdichterkolben 21 den unteren Totpunkt erreicht hat, ein in Abhängigkeit von der Schließkraft des Lufteinlaßventils 24 unterschiedlicher Unterdruck. Die in die Brennkammer 7 im anschließenden Verdichterhub eingebrachte Luftmenge und damit der Verdichterdruck sind auf diese Weise veränderbar.The air inlet valve 24 comprises a valve plate 26, which is connected to a valve stem 27 is arranged. The valve stem 27 simultaneously forms one with a piston 28 connected piston rod of a piston-cylinder unit 31. The cylinder chamber 32 This piston-cylinder unit is filled with air, the air pressure being one in Closing direction of the air inlet valve 24 causes force. To change the closing force of the air inlet valve 24 is the air pressure in the cylinder chamber a unit 33 comprising an air pump can be changed. This air pressure poses thus a kind of "air spring", the spring constant of which can be changed. The air intake valve opens only when the negative pressure in the cylinder chamber 25, the closing force of the Air intake valve 24 overcomes. Due to the limited inflow speed the air through the air inlet valve 24 prevails when the compressor piston 21 the has reached bottom dead center, depending on the closing force of the air inlet valve 24 different negative pressure. The following in the combustion chamber 7 Compressor stroke introduced air volume and thus the compressor pressure can be changed in this way.

    Während sich der Kolben 1 von seinem unteren Totpunkt UT in Richtung seines oberen Totpunktes OT bewegt, verbindet sich das am unteren Totpunkt UT zunächst unter Unterdruck stehende Verbrennungsgas-Wasserdampfgemisch in der Expansionskammer, bis dessen Druck schließlich über Atmosphärendruck ansteigt und es durch Öffnen des Expansionskammer-Auslaßventils 30 ausströmen kann.While the piston 1 from its bottom dead center UT towards its Moves at top dead center OT, it connects at bottom dead center UT pressurized combustion gas-water vapor mixture in the Expansion chamber until its pressure finally rises above atmospheric pressure and flow out by opening the expansion chamber exhaust valve 30 can.

    Das Expansionskammer-Auslaßventil 30 umfaßt die in Längsrichtung des Zylinders verschiebbare Zylinderwand 17. In der geschlossenen Stellung des Expansionskammer-Auslaßventils 30 wird die Zylinderwand 17 gegen einen in einer ringförmigen Nut im Zylinderkopf 16 angeordneten Dichtring 35 gepreßt, und zwar gegen die Kraft einer in Öffnungsrichtung des Expansionskammer-Auslaßventils wirkenden Feder 34. In der geöffneten Stellung wird eine ringförmige Auslaßöffnung freigegeben. Zur Beaufschlagung der verschiebbaren Zylinderwand 17 in die gegen den Dichtring 35 gepreßte Stellung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Nockensteuerung vorgesehen. Auf der Welle 2 ist eine Nockenscheibe 45 vorgesehen. Durch die auf dieser Nockenscheibe 45 angeordneten Nocken (die sich abgesehen von zwei Vertiefungen im wesentlichen um die gesamte Nockenscheibe 45 erstrecken; pro Umdrehung der Welle werden zwei Taktzyklen des Motors ausgeführt) wird ein auf einem um eine Drehachse 36 schwenkbaren Hebel 37 gelagerter Stift gegen einen Flansch 13 der Zylinderwand 17 gedrückt. Befindet sich die am schwenkbaren Hebel 37 angeordnete, auf der Nockenscheibe 45 ablaufende Rolle 44 in einer der Vertiefungen zwischen den Nocken, so öffnet das Expansionskammer-Auslaßventil 30 durch die Kraft der Feder 34, und das Verbrennungsgas-Wassergemisch kann aus der Expansionskammer 12 ausströmen. Über ein Leitungsstück 40 gelangt es in einen Wasserabscheider 41, der analog zu dem in der EP 0 957 250 A2 beschriebenen Wasserabscheider aufgebaut sein kann. Das Kühlwasser wird entsprechend dem Pfeil VIII in den Wassertank 42 rückgeführt und das Verbrennungsgas kann durch den Auspuff 43 ausströmen.The expansion chamber exhaust valve 30 includes those in the longitudinal direction of the cylinder sliding cylinder wall 17. In the closed position of the expansion chamber outlet valve 30, the cylinder wall 17 against one in one annular groove in the cylinder head 16 arranged sealing ring 35 pressed, namely against the force of one in the opening direction of the expansion chamber outlet valve acting spring 34. In the open position there is an annular outlet opening Approved. To act on the displaceable cylinder wall 17 in the position pressed against the sealing ring 35 is in the exemplary embodiment shown a cam control is provided. There is a cam disk on shaft 2 45 provided. By the cams arranged on this cam disk 45 (which apart from two indentations essentially covers the entire Extend cam 45; there are two clock cycles per revolution of the shaft of the motor) is carried out on a pivotable about an axis of rotation 36 Lever 37 mounted pin pressed against a flange 13 of the cylinder wall 17. Is located on the pivotable lever 37, on the cam 45 running roller 44 in one of the recesses between the cams, see above opens expansion chamber exhaust valve 30 by the force of spring 34, and the combustion gas / water mixture can flow out of the expansion chamber 12. Via a line section 40 it reaches a water separator 41, which is analogous to the water separator described in EP 0 957 250 A2 can be built. The cooling water is in accordance with arrow VIII in the Water tank 42 recycled and the combustion gas can through the exhaust 43rd flow out.

    Das Brennkammer-Auslaßventil 11 wird ebenfalls durch eine Nockensteuerung betätigt, wobei eine Rolle 46, die am einen Hebelarm eines verschwenkbaren Hebels 47 gelagert ist, über eine Nockenscheibe 48 abrollt. Die auf dieser Nokkenscheibe 48 angeordneten Nocken betätigen über den mit dem anderen Hebelarm des Hebels 47 verbundenen Stift 49 und den Hebel 50 das Brennkammer-Auslaßventil 11.The combustion chamber exhaust valve 11 is also controlled by a cam actuated, a roller 46 which is on a lever arm of a pivotable Lever 47 is mounted, rolls over a cam disc 48. The one on this cam disc 48 arranged cams operate with the other lever arm the lever 47 connected pin 49 and the lever 50 the combustion chamber exhaust valve 11th

    Zur Einspritzung des Treibstoffs und des Wassers in die Brennkammer 7 sowie zur Einspritzung des Wassers in die Expansionskammer 12 können unterschiedliche herkömmlich ausgebildete Pumpeinrichtungen verwendet werden, beispielsweise von der Welle 2 angetriebene Nockenpumpen. Am freien Ende der vom Kolben 1 beaufschlagten Stange 5 ist eine Rolle 6 drehbar gelagert. Diese ist zwischen inneren und äußeren Kurvenflächen 3, 4 angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden Kurvenflächen 3, 4 ist dabei etwas größer als der Durchmesser der Rolle 6, so daß die Rolle 6, die als Schubglied des Kurvengetriebes wirkt, entweder auf der inneren Kurvenfläche 3 oder der äußeren Kurvenfläche 4 abrollen kann. Wenn bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt die Rolle 6 auf der inneren Kurvenfläche 3 abrollt, so wird der Welle 2 Energie zugeführt (durch den Überdruck des expandierenden Verbrennungsgases), falls die Rolle 6 bei der Abwärtsbewegung des Kolbens auf der äußeren Kurvenfläche 4 abrollt, so treibt die Welle 2 den Kolben an (dadurch kann das Verbrennungsgas in der Expansionskammer 12 bis unter Atmosphärendruck verdünnt werden, wie weiter unten noch erläutert wird). Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunktes erfolgt dagegen die Energiezufuhr zur Welle 2 im Falle des Abrollens der Rolle 6 auf der äußeren Kurvenfläche 4. Beim Abrollen der Rolle 6 über die innere Kurvenfläche 3 erfolgt einen Energieentnahme (beispielsweise, falls die Energie aufgrund des durch die infolge des Einspritzens des Wassers hervorgerufene Implosion erzeugten Unterdrucks in der Expansionskammer 12 nicht für die Verdichtung der Luft mittels der Verdichterpumpe 23 ausreichen sollte).
    Bei der inneren und bei der äußeren Kurvenfläche 3, 4 handelt es sich jeweils um eine umfangsgeschlossene Mantelfläche. Jeweils weisen die Kurvenflächen 3, 4 entlang ihres Umfangs drei Abschnitte auf, die im folgenden anhand der inneren Kurvenfläche 3 erläutert werden. Im ersten Abschnitt 53 nimmt der Abstand der Kurvenfläche vom Mittelpunkt der Welle 2 erst rasch, dann langsamer ab. Dieser Abschnitt ist der Abwärtsbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zugeordnet. Die anfänglich rasche Abnahme des Abstandes entspricht dabei der anfänglich raschen Abnahme des Drucks in der Expansionskammer. Im folgenden zweiten Abschnitt 54 nimmt der Abstand der Kurvenfläche 3 vom Wellenmittelpunkt wiederum zu. Dieser Abschnitt ist der Aufwärtsbewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zugeordnet. Anschließend an den zweiten Abschnitt 54 folgt ein dritter Abschnitt 55, der einen konstanten maximalen Abstand vom Mittelpunkt der Welle 2 aufweist. Während des Ablaufs der Rolle 6 über diesen Abschnitt 55 der Kurvenfläche bleibt daher der Kolben bewegungslos am oberen Totpunkt OT stehen ("Wartephase"). Während dieser Zeit kann die vollständige Verbrennung des Treibstoffs in der Brennkammer 7 durchgeführt werden. Die drei Abschnitte 53, 54, 55 sind entlang des Umfangs der Kurvenfläche 3 zweimal vorgesehen, so daß während einer vollständigen Umdrehung der Welle 2 zwei vollständige Arbeitszyklen bzw. Taktzyklen des Motors durchgeführt werden. Die äußere Kurvenfläche 4 ist in analoger Weise in den Abschnitten 53, 54, 55 in entsprechende Abschnitte unterteilt.    Various conventionally designed pumping devices can be used for injecting the fuel and the water into the combustion chamber 7 and for injecting the water into the expansion chamber 12, for example cam pumps driven by the shaft 2. At the free end of the rod 5 acted upon by the piston 1, a roller 6 is rotatably mounted. This is arranged between inner and outer cam surfaces 3, 4. The distance between the two cam surfaces 3, 4 is slightly larger than the diameter of the roller 6, so that the roller 6, which acts as a thrust member of the cam mechanism, can roll either on the inner cam surface 3 or the outer cam surface 4. When the roller 6 rolls on the inner cam surface 3 during the downward movement of the piston 1 from the top dead center to the bottom dead center, the shaft 2 is supplied with energy (by the excess pressure of the expanding combustion gas) if the roller 6 on the downward movement of the piston rolls outer curve surface 4, the shaft 2 drives the piston (this allows the combustion gas in the expansion chamber 12 to be diluted to below atmospheric pressure, as will be explained further below). In contrast, when piston 1 moves upward from bottom dead center in the direction of top dead center, energy is supplied to shaft 2 when roller 6 rolls on outer cam surface 4. When roller 6 rolls over inner cam surface 3, energy is extracted (for example, if the energy in the expansion chamber 12 should not be sufficient for the compression of the air by means of the compressor pump 23 due to the negative pressure generated in the expansion chamber 12 by the implosion caused by the injection of the water).
    The inner and outer curved surfaces 3, 4 are each circumferentially closed outer surfaces. The curved surfaces 3, 4 each have three sections along their circumference, which are explained below with reference to the inner curved surface 3. In the first section 53, the distance of the cam surface from the center of the shaft 2 decreases rapidly, then slowly. This section is associated with the downward movement of the piston from top dead center to bottom dead center. The initially rapid decrease in the distance corresponds to the initially rapid decrease in the pressure in the expansion chamber. In the following second section 54, the distance of the cam surface 3 from the center of the shaft increases again. This section is assigned to the upward movement of the piston from bottom dead center to top dead center. Following the second section 54 is a third section 55, which has a constant maximum distance from the center of the shaft 2. During the course of the roller 6 over this section 55 of the curved surface, the piston therefore remains motionless at the top dead center OT (“waiting phase”). During this time, the complete combustion of the fuel can be carried out in the combustion chamber 7. The three sections 53, 54, 55 are provided twice along the circumference of the cam surface 3, so that two complete working cycles or clock cycles of the motor are carried out during one complete rotation of the shaft 2. The outer curve surface 4 is divided in an analogous manner in sections 53, 54, 55 into corresponding sections.

    Zwischen dem Kolben 1 und der vom Kolben 1 beaufschlagten, über das beschriebene Kurvengetriebe die Welle 2 antreibenden Stange 5 ist eine Federeinrichtung 56 vorgesehen. Diese umfaßt Druckfedern 57, die hier als Tellerfedern ausgebildet sind. Die Druckfedern sind zwischen einer an der Stange 5 festgelegten Druckplatte 58 und der von der Expansionskammer 12 abgewandten Rückseite des Kolbens 1 angeordnet. Um ein Verkippen des Kolbens 1 während dessen Aufwärtsbewegung, in der er den Verdichterkolben 21 antreibt, sind mindestens drei Druckfedern vorgesehen, die an den Eckpunkten eines gedachten Dreiecks angeordnet sind, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier an den Eckpunkten eines gedachten Quadrats angeordnete Druckfedern vorgesehen, wobei die Druckplatte 58 von zwei sich kreuzenden Armen gebildet wird. Die Tellerfedern 57 sind weiters über Schrauben 59 vorgespannt. Der Kolben 1 bewegt sich gegenüber der Druckplatte 58 daher erst, wenn eine diese Vorspannung übersteigende Kraft auf den Kolben ausgeübt wird. Dies verhindert wiederum eine Verkippung des Kolbens bei dessen Aufwärtsbewegung aufgrund der durch den Verdichterkolben 21 unsymmetrisch auf den Kolben 1 wirkenden Kraft.
    Zur Vermeidung einer unsymmetrischen Belastung des Kolbens 1 bei dessen Aufwärtsbewegung könnte die Kolbenstange 22 zentral am Kolben 1 angreifen, d.h., mit der Stange 5 fluchten (wobei die Brennkammer 7 weiter seitlich verlegt werden müßte). In diesem Fall würde eine einzelne, zentrale Druckfeder 57 zwischen dem Boden des Kolbens 1 und der Stange 5 genügen, wobei die Vorspannung der Feder auch entfallen könnte.    A spring device 56 is provided between the piston 1 and the rod 5 actuated by the piston 1 and driving the shaft 2 via the cam mechanism described. This includes compression springs 57, which are designed here as disc springs. The compression springs are arranged between a pressure plate 58 fixed on the rod 5 and the rear side of the piston 1 facing away from the expansion chamber 12. In order to tilt the piston 1 during its upward movement, in which it drives the compressor piston 21, at least three compression springs are provided, which are arranged at the corner points of an imaginary triangle; in the exemplary embodiment shown, four compression springs are provided at the corner points of an imaginary square, whereby the pressure plate 58 is formed by two crossing arms. The plate springs 57 are also biased by screws 59. The piston 1 therefore only moves in relation to the pressure plate 58 when a force exceeding this preload is exerted on the piston. This in turn prevents the piston from tilting during its upward movement due to the force acting asymmetrically on the piston 1 by the compressor piston 21.
    In order to avoid an asymmetrical loading of the piston 1 during its upward movement, the piston rod 22 could engage centrally on the piston 1, ie, be aligned with the rod 5 (the combustion chamber 7 would have to be moved further to the side). In this case, a single, central compression spring 57 between the base of the piston 1 and the rod 5 would suffice, the prestressing of the spring also being omitted.

    Die Federeinrichtung ist dabei derart ausgelegt, daß sie die in einer ersten Phase der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 auf diesen vom Verbrennungsgas nach dem Öffnen des Brennkammer-Auslaßventils 11 auf den Kolben 1 ausgeübte Druckspitze aufnehmen kann und als potentielle Energie speichert. Dadurch wird der auf die Stange 5 ausgeübte maximale Druck verringert, wie dies aus dem Diagramm von Fig. 2 ersichtlich ist. Der Druck, der ohne die Federeinrichtung 56 auf die Stange ausgeübt würde (und der auf dem Kolben 1 lastet), ist durch die strichlierte Linie 60 dargestellt. Aufgrund der Federeinrichtung ergibt sich der Druckverlauf entsprechend der durchgezogenen Linie 61. Der Maximaldruck ist somit wesentlich geringer. Die in der ersten Phase der Abwärtsbewegung des Kolbens von der Federeinrichtung gespeicherte Energie ist durch die schraffierte Fläche 62 dargestellt. In einer weiteren Phase der Abwärtsbewegung des Kolbens bei einem geringeren Druck des Verbrennungsgases wird diese gespeicherte potentielle Energie wiederum an die Stange 5 abgegeben. Diese abgegebene Energie entspricht der Fläche 63.The spring device is designed such that it in a first phase the downward movement of the piston 1 thereon from the combustion gas opening the combustion chamber exhaust valve 11 on the piston 1 Can absorb pressure peaks and stores them as potential energy. This will the maximum pressure exerted on the rod 5 is reduced, as is the case with the 2 can be seen. The pressure without the spring device 56 would be exerted on the rod (and which rests on the piston 1) is by the dashed line 60 shown. Due to the spring device, the Pressure curve corresponding to the solid line 61. The maximum pressure is therefore much lower. The in the first phase of the downward movement of the Piston energy stored by the spring device is hatched by the Surface 62 shown. In a further phase of the downward movement of the piston at a lower pressure of the combustion gas, this is stored potential energy in turn is delivered to the rod 5. This delivered Energy corresponds to area 63.

    Der Taktzyklus des Verbrennungsmotors läuft somit folgendermaßen ab:The clock cycle of the internal combustion engine thus runs as follows:

    Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 in Richtung seines oberen Totpunktes OT wird mittels der Verdichterpumpe 23 Frischluft in die Brennkammer 7 eingebracht und verdichtet. Sobald der Kolben 1 den oberen Totpunkt OT erreicht hat bzw. kurz davor, erfolgt die Einspritzung von Treibstoff und Wasser in die Brennkammer 7. Nur beim Kaltstart des Verbrennungsmotors erfolgt eine Zündung über die Zündkerze 9. Zum Kaltstart des Motors wird weiters der Kolben 1 über die Welle 2 und das Kurvengetriebe mittels eines in der Figur nicht dargestellten Elektromotors angetrieben.During the upward movement of the piston 1 in the direction of its top dead center OT is fresh air into the combustion chamber 7 by means of the compressor pump 23 introduced and compacted. As soon as piston 1 reaches TDC shortly before, the fuel and water are injected into the Combustion chamber 7. Ignition occurs only when the internal combustion engine is cold started Via the spark plug 9. To cold start the engine, the piston 1 via the shaft 2 and the cam mechanism by means of a not shown in the figure Electric motor driven.

    Nach dem vollständigen Abbrand des Treibstoff-Luftgemisches, wobei sich der Kolben 1 immer noch an seinem oberen Totpunkt OT befindet, wird das Expansionskammer-Auslaßventil 30 geschlossen und das Brennkammer-Auslaßventil 11 geöffnet. Der Druck in der Expansionskammer 12 steigt dadurch zunächst rasch an und sinkt in der Folge bei nach unten laufendem Kolben 1 allmählich wieder ab. Bei Vollastbetrieb ist der Druck in der Expansionskammer 12 bei einer bevorzugten Betriebsweise gerade auf Atmosphärendruck abgesunken, wenn der Kolben 1 den unteren Totpunkt UT erreicht hat. In diesem Fall wird bei Teillastbetrieb des Motors der Atmosphärendruck bereits erreicht, während sich der Kolben 1 noch auf seinem Weg vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt befindet. In der Folge kommt es im Teillastbetrieb zu einem Absinken des Drucks in der Expansionskammer 12 unter Atmosphärendruck. Das Verbrennungsgas wird dadurch "verdünnt", bevor die Implosionsphase eingeleitet wird. Die Implosionsphase wird eingeleitet, sobald der Kolben 1 den unteren Totpunkt UT erreicht hat, indem Kühlwasser in die Expansionskammer 12 eingespritzt wird. Durch die schlagartige Abkühlung des Verbrennungsgases kommt es dadurch zu einem weiteren Absinken des Drucks in der Expansionskammer 12, der nun auch im Falle des Vollastbetriebs des Motors unterhalb des Atmosphärendrucks liegt. Der Kolben 1 wird durch diesen Unterdruck nach oben gezogen und bewegt sich nunmehr vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts. Wärend dieser Bewegung wird anfangs noch das Brennkammer-Auslaßventil 11 offengehalten, um den Ladungsaustausch in der Brennkammer 7 zu ermöglichen. Es folgt die weitere Aufwärtsbewegung des Kolbens, bei der die Frischluft in der Brennkammer 7 verdichtet wird und außerdem der Druck in der Expansionskammer 12 in Richtung Atmosphärendruck ansteigt. Kurz bevor der Kolben 1 den oberen Totpunkt erreicht, steigt der Druck in der Expansionskammer 12 über den Atmosphärendruck an und das Expansionskammer-Auslaßventil 30 wird geöffnet, wobei das in der Expansionskammer 12 enthaltene Verbrennungsgas-Wassergemisch durch das Expansionskammer-Auslaßventil 30 ausgepreßt wird ("Auspuffphase"). Mit Erreichen des oberen Totpunktes OT des Kolbens 1 oder kurz davor erfolgt die nächste Zündung des Treibstoffs in der Brennkammer. Bis zu dessen vollständiger Verbrennung verharrt der Kolben am oberen Totpunkt ("Wartephase"), worauf durch Öffnen des Auslaßventils 11 die nächste Expansionsphase eingeleitet wird.After the fuel-air mixture has completely burned off, the Piston 1 is still at top dead center OT, the expansion chamber exhaust valve 30 closed and the combustion chamber exhaust valve 11 open. As a result, the pressure in the expansion chamber 12 initially rises rapidly on and then gradually sinks again with the piston 1 running downwards from. At full load, the pressure in expansion chamber 12 is a preferred one Operation just dropped to atmospheric pressure when the piston 1 has reached bottom dead center UT. In this case, at partial load the engine has already reached atmospheric pressure while the piston 1 is still on its way from top dead center to bottom dead center. In As a result, the pressure in the expansion chamber drops in partial load operation 12 under atmospheric pressure. The combustion gas is thereby "diluted" before the implosion phase is initiated. The implosion phase is initiated as soon as piston 1 has reached bottom dead center UT, by injecting cooling water into the expansion chamber 12. Through the abrupt cooling of the combustion gas occurs further decrease in the pressure in the expansion chamber 12, which is now also in the If the engine is operating at full load, it is below atmospheric pressure. The Piston 1 is pulled up by this vacuum and moves now from bottom dead center towards top dead center. During this Initially, the combustion chamber exhaust valve 11 is still kept moving, to enable the exchange of charges in the combustion chamber 7. The follows further upward movement of the piston, with the fresh air in the combustion chamber 7 is compressed and also the pressure in the expansion chamber 12 in Increases towards atmospheric pressure. Just before piston 1 hits top dead center reached, the pressure in the expansion chamber 12 rises above atmospheric pressure and the expansion chamber outlet valve 30 is opened, whereby the combustion gas / water mixture contained in the expansion chamber 12 is pressed out through the expansion chamber outlet valve 30 (“exhaust phase”). When the top dead center OT of the piston 1 or shortly before the next ignition of the fuel in the combustion chamber. Until it's more complete The piston remains at top dead center ("waiting phase"), whereupon the next expansion phase is initiated by opening the exhaust valve 11 becomes.

    In einer weiteren bevorzugten Betriebsweise ist bereits im Vollastbetrieb eine Verdünnung des Verbrennungsgases bis unterhalb des Atmosphärendrucks vorgesehen, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat.In a further preferred mode of operation, one is already in full load operation Dilution of the combustion gas provided below atmospheric pressure, when the piston has reached bottom dead center.

    Das Volumen des Zylinderraums 25 der Verdichterpumpe 23 ist um mindestens 25 %, in einer bevorzugten Ausführungsform um mindestens 50 % größer, als es dem Volumen für eine Befüllung der Brennkammer mit einem Gemisch entspricht, dessen Mischungsverhältnis eine Luftzahl von λ = 1 aufweist, und zwar bei einer bei Vollast des Motors in die Brennkammer 7 eingespritzten Menge an Treibstoff. Es kann dadurch in Verbindung mit dem drosselbaren Lufteinlaßventil 24 sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen des Motors jeweils eine Luftzahl des Gemisches in der Brennkammer 7 von mindestens λ = 1 erreicht werden. Die Vollast des Motors entspricht der bei der jeweiligen Drehzahl maximalen Leistungsabgabe, für die der Motor ausgelegt ist.The volume of the cylinder chamber 25 of the compressor pump 23 is at least 25%, in a preferred embodiment at least 50% larger than it corresponds to the volume for filling the combustion chamber with a mixture, whose mixing ratio has an air ratio of λ = 1, specifically at at full load of the engine in the combustion chamber 7 injected amount of fuel. It can thereby both in connection with the throttled air inlet valve 24 at low as well as at high engine speeds, an air ratio of Mixtures in the combustion chamber 7 of at least λ = 1 can be achieved. The Full load of the engine corresponds to the maximum power output at the respective speed, for which the engine is designed.

    Anstelle des beschriebenen gedrosselten Lufteinlaßventils 24 könnte ein gedrosseltes Lufteinlaßventil z. B. auch in Form eines elektromagnetischen Ventils ausgeführt werden. Instead of the throttled air inlet valve 24 described, a throttled could Air intake valve z. B. also in the form of an electromagnetic valve become.

    Legende zu den Hinweisziffern:Legend to the reference numbers:

    11
    Kolbenpiston
    22
    Wellewave
    33
    innere Kurvenflächeinner curve surface
    44
    äußere Kurvenflächeouter curve surface
    55
    Stangepole
    66
    Rollerole
    77
    Brennkammercombustion chamber
    99
    Zündkerzespark plug
    1010
    Einheitunit
    1111
    Brennkammer-AuslaßventilCombustion chamber discharge valve
    1212
    Expansionskammerexpansion chamber
    1313
    Flanschflange
    1414
    wärmeisolierende Schichtheat insulating layer
    1515
    wärmeisolierende Schichtheat insulating layer
    1616
    Zylinderkopfcylinder head
    1717
    Zylinderwandcylinder wall
    1818
    Kolbendichtungpiston seal
    1919
    Einspritzdüseinjection
    2020
    Kissenpillow
    2121
    Verdichterkolbenpistons compressor
    2222
    Kolbenstangepiston rod
    2323
    Verdichterpumpecompressor pump
    2424
    LufteinlaßventilAir inlet valve
    2525
    Zylinderraumcylinder space
    2626
    Ventiltellervalve disc
    2727
    Ventilschaftvalve stem
    2828
    Kolbenpiston
    2929
    Luftauslaßventilair outlet valve
    3030
    Expansionskammer-AuslaßventilExpansion chamber outlet valve
    3131
    Kolben-Zylinder-EinheitPiston-cylinder unit
    3232
    Zylinderraumcylinder space
    3333
    Einheitunit
    3434
    Federfeather
    3535
    Dichtringseal
    3636
    Drehachseaxis of rotation
    3737
    Hebellever
    3838
    Stiftpen
    4040
    Leitungsstückline section
    4141
    Wasserabscheiderwater
    4242
    Wassertankwater tank
    4343
    AuspuffExhaust
    4444
    Rollerole
    4545
    Nockenscheibecam
    4646
    Rollerole
    4747
    Hebellever
    4848
    Nockenscheibecam
    4949
    Stiftpen
    5050
    Hebellever
    5353
    erster Abschnittfirst section
    5454
    zweiter Abschnittsecond part
    5555
    dritter Abschnittthird section
    5656
    Federeinrichtungspring means
    5757
    Druckfedercompression spring
    5858
    Druckplatteprinting plate
    5959
    Schraubescrew
    6060
    Linieline
    6161
    Linieline
    6262
    Flächearea
    6363
    Flächearea

    Claims (4)

    Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffs unter Bildung eines Verbrennungsgases, einer mit der Brennkammer über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil verbundenen, separaten Expansionskammer, die einen verschiebbar gelagerten Kolben zur Umsetzung von Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit bzw. Energie aufweist, und einer oder mehreren als Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildeten Verdichterpumpen (23) zur Befüllung der Brennkammer mit verdichteter Luft, die jeweils ein Lufteinlaßventil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Lufteinlaßventil (24) drosselbar ist und daß das Volumen des Zylinderraums (25) der Verdichterpumpe (23) oder, im Falle mehrerer Verdichterpumpen (23), das Gesamtvolumen der Zylinderräume der Verdichterpumpen um mindestens 25 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer ist, als es einem Volumen für eine Befüllung der Brennkammer (7) mit einem Gemisch mit einer Luftzahl von λ = 1 bei einer bei Vollast des Motors eingebrachten Menge an Treibstoff entspricht.Internal combustion engine with a combustion chamber for the timed combustion of a fuel to form a combustion gas, a separate expansion chamber connected to the combustion chamber via a controllable combustion chamber outlet valve, which has a displaceably mounted piston for converting energy of the combustion gas into mechanical work or energy, and one or a plurality of compressor pumps (23) designed as piston-cylinder units for filling the combustion chamber with compressed air, each of which has an air inlet valve, characterized in that the air inlet valve (24) can be throttled and that the volume of the cylinder space (25) of the compressor pump ( 23) or, in the case of several compressor pumps (23), the total volume of the cylinder spaces of the compressor pumps is at least 25%, preferably at least 50% larger than a volume for filling the combustion chamber (7) with a mixture with an air ratio of λ = 1 for one at Vollas t of the engine brought in amount of fuel corresponds. Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffs unter Bildung eines Verbrennungsgases, einer mit der Brennkammer über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil verbundenen, separaten Expansionskammer, die einen verschiebbar gelagerten Kolben zur Umsetzung von Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit bzw. Energie aufweist, und einer oder mehreren als Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildeten Verdichterpumpen (23) zur Befüllung der Brennkammer mit verdichteter Luft, wobei als jeweiliges Lufteinlaßventil in die Verdichterpumpe ein in Schließrichtung vorgespanntes Rückschlagventil vorgesehen ist, das einen an einem Ventilschaft angeordneten Ventilteller umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Lufteinlaßventil (24) drosselbar ist, wobei der Ventilschaft (27) mit einem Kolben (28) einer Kolben-Zylinder-Einheit (31) verbunden ist, welche einen Zylinderraum (32) aufweist, in dem ein in Schließrichtung des Lufteinlaßventils wirkender Luftdruck vorliegt, und wobei zur Änderung der Schließkraft des Lufteinlaßventils der Luftdruck im Zylinderraum (32) veränderbar ist.Internal combustion engine with a combustion chamber for the timed combustion of a fuel to form a combustion gas, a separate expansion chamber connected to the combustion chamber via a controllable combustion chamber outlet valve, which has a displaceably mounted piston for converting energy of the combustion gas into mechanical work or energy, and one or a plurality of compressor pumps (23) designed as piston-cylinder units for filling the combustion chamber with compressed air, the respective air inlet valve in the compressor pump being provided with a check valve biased in the closing direction and comprising a valve disk arranged on a valve stem, characterized in that the Air inlet valve (24) can be throttled, the valve stem (27) being connected to a piston (28) of a piston-cylinder unit (31) which has a cylinder chamber (32) in which an air pressure acting in the closing direction of the air inlet valve jerk is present, and the air pressure in the cylinder chamber (32) can be changed to change the closing force of the air inlet valve. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Brennkammer zur getakteten Verbrennung eines Treibstoffs unter Bildung eines Verbrennungsgases, einer mit der Brennkammer über ein steuerbares Brennkammer-Auslaßventil verbundenen, separaten Expansionskammer, die einen verschiebbar gelagerten Kolben zur Umsetzung von Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit bzw. Energie aufweist, und einer oder mehreren als Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildeten Verdichterpumpen (23) zur Befüllung der Brennkammer mit verdichteter Luft, die jeweils ein Lufteinlaßventil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkammer (7) einbrachte Luftmenge durch Steuerung des drosselbar ausgebildeten Lufteinlaßventils (24) gesteuert wird.Method for operating an internal combustion engine with a combustion chamber for the timed combustion of a fuel to form a combustion gas, a separate expansion chamber connected to the combustion chamber via a controllable combustion chamber outlet valve, which has a displaceably mounted piston for converting energy of the combustion gas into mechanical work or energy and one or more compressor pumps (23) in the form of piston-cylinder units for filling the combustion chamber with compressed air, each of which has an air inlet valve, characterized in that the quantity of air introduced into the combustion chamber (7) is controlled by controlling the air inlet valve which is designed to be throttled (24) is controlled. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Zylinderraums (25) der Verdichterpumpe (23) oder, im Falle mehrerer Verdichterpumpen (23), das Gesamtvolumen der Zylinderräume der Verdichterpumpen um mindestens 25 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer ist, als es einem Volumen für eine Befüllung der Brennkammer (7) mit einem Gemisch mit einer Luftzahl von λ = 1 bei einer bei Vollast des Motors eingebrachten Menge an Treibstoff entspricht.Method according to Claim 3, characterized in that the volume of the cylinder space (25) of the compressor pump (23) or, in the case of several compressor pumps (23), the total volume of the cylinder spaces of the compressor pumps is at least 25%, preferably at least 50% larger than it corresponds to a volume for filling the combustion chamber (7) with a mixture with an air ratio of λ = 1 with an amount of fuel introduced at full load of the engine.
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