DE4027533C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, bei dem durch Verbrennen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ein in einem Zylinder bzw. Brennraum auf- und ab- und sich drehend bewegter Kolben, der über eine Kolbenwelle mit einer Antriebswelle verbunden ist und auf seinem Außenmantel eine mit einem der Zylinderinnenwand zugeordneten Führungsbolzen korrespondierende Führungsrille aufweist, in mehreren Takten mechanische Arbeit leistet, wobei unterhalb des Kolbens ein Vorkompressionsraum für die Verbrennungsluft vorgesehen ist.

Ein derartiger aus der DE 25 52 575 A1 bekannter Verbrennungsmotor bzw. eine Kolben­ maschine ist besonders vorteilhaft, weil durch die Drehung des zwangsweise drehenden Kolbens die notwendige Arbeitskraft gleich auf die Antriebswelle übertragen wird. Die Drehung des Kolbens wird dadurch erzwungen, daß auf dem Außenmantel eine Rille vorgesehen ist, in die ein in der Zylinderwand steckender Bolzen eingreift. Weiter ist auch vorgesehen, daß der Raum unterhalb des Kolbens zur Vorkomprimierung der Verbrennungsluft eingesetzt wird, ohne daß eine Speiche­ rung und damit ein Ausgleich dieser vorkomprimierten Verbren­ nungsluft vorgesehen ist. Auch steht nur der Raum unmittelbar unter dem Kolben zur Verfügung, so daß in der Regel die insgesamt erzeugte vorkomprimierte Verbrennungsluft auch für den einzelnen Arbeitstakt benötigt wird. Es ist somit eine gezielte Erzeugung von Druckluft nicht möglich, vor allen Dingen ist auch keine Möglichkeit gegeben, die je nach Leistungsbedarf notwendige Druckluftmenge zur Verfügung zu halten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit zwangsgedrehtem Zylinder zu schaffen, der eine gezielte Verbrennungsluftkomprimierung und -bevor­ ratung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vorkompressionsraum und ein die Kolbenwelle aufnehmender Raum im Kolben als gemeinsamer Kompressionsraum ausgebildet sind, der mit einem Verbrennungsluftspeicher verbunden ist.

Gemäß der Erfindung wird somit gelehrt, daß und wie man gezielt komprimierte Verbrennungsluft erzeugen und vor­ halten kann, so daß je nach Leistungsbedarf ein Abruf der benötigten Verbrennungsluft möglich ist. In allen Drehzahl­ bereichen kann nun die benötigte Verbrennungsluft zur opti­ malen Leistung zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafter­ weise wird für die Vorkompression der Verbrennungsluft ein Lader nicht benötigt, sondern vielmehr kann der Kolben mit dem entsprechenden, die Kolbenwelle aufnehmenden Raum zusam­ men diese Funktion übernehmen und jeweils die nicht direkt benötigte Verbrennungsluft/Druckluft dem Verbrennungsluft­ speicher zuführen, wo sie für die jeweiligen Drehzahlbe­ reiche und den jeweiligen Leistungsbedarf zur Verfügung gehalten werden.

Um bei den verschiedenen Arbeitstakten den evtl. er­ wirtschafteten Überschuß an komprimierter Verbrennungsluft günstig bevorraten zu können, sieht die Erfindung gemäß einer Weiterbildung vor, daß der Verbrennungsluftspeicher als gekühlter Druckbehälter ausgebildet ist. Je nach benötigtem Leistungsbedarf kann aus diesem gekühlten Druckbehälter Verbrennungsluft entnommen und dem Brennraum zugeführt werden. Eine Mischung erfolgt dann im Brennraum.

Eine einwandfreie Weiterführung der insbesondere im die Kolbenwelle aufnehmenden Raum komprimierten Luft ist sichergestellt, da weiterbildungsgemäß der Vorkompressionsraum und der Raum über eine Bohrung miteinander verbunden sind.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Verbrennungsmotor geschaffen ist, der eine wesentlich verbesserte Leistungsabgabe und Leistungshöhe aufweist, der im Aufbau vereinfacht ist und bei dem der Kolben konti­ nuierlich und ohne Vorgabe eines oberen und unteren Totpunk­ tes auf- und abbewegt werden kann und wo er durch die Erzeu­ gung der vorkomprimierten Verbrennungsluft zusätzliche Arbeit leistet. Dadurch können die Vorteile eines derartigen mit sich drehendem Kolben ausgerüsteten Verbrennungsmotoren noch besser ausgenutzt werden, wobei der Kolben über die Drehbewegung direkt auf die Kolbenwelle einwirkt und immer und abhängig vom Leistungsbedarf die benötigte Verbrennungs­ luft zur Verfügung hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Verbrennungmotor vor dem Zündpunkt,

Fig. 2 den Verbrennungsmotor im Verdichtungs- und Zündzeitpunkt,

Fig. 3 den Verbrennungsmotor während des Verbren­ nungsvorganges,

Fig. 4 den Verbrennungsmotor im Zeitpunkt des Ausstoßens der Verbrennungsgase,

Fig. 5 den Kolben von unten gesehen,

Fig. 6 den Kolben im Schnitt und

Fig. 7 den Zylinder in vereinfachter Darstellung mit Führungsbolzen.

Bei dem in Fig. 1 wiedergegebenen Verbrennungsmotor (1) handelt es sich um einen vom äußeren üblichen Motor mit Zylinder (2) und darin verschieblich angeordneten Kolben (3). Es handelt sich hier um einen Viertakter, weshalb zur weiteren Erläuterung in den Fig. 2 bis 4 die weiteren Takte wiedergegeben bzw. dargestellt sind.

Der Brennraum (4) liegt zwischen Kolben (3) und der Wandung des Zylinders (2), während der untere Teil des Motor­ gehäuses (5) zur Aufnahme der Antriebswelle (6) dient. Die Antriebswelle (6) ihrerseits ist über die Kolbenwelle (7) mit einem endseitigen Zahnrad (8) mit dem Kolben (3) ver­ bunden. Die Einzelheiten der Verbindung von Kolben (3) und Kolbenwelle (7) ist weiter hinten erläutert.

Bei der aus Fig. 1 ersichtlichen Position strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch über das geöffnete Einlaßventil (9) in den Brennraum (4) ein. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch (10) kann so lange einströmen, bis das Einlaßventil (9) über eine Nockenwelle (11) wieder geschlossen ist (siehe Fig. 2).

Bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Position wird durch Verkleinerung des Brennraumes (4) ein engbegrenzter Verdich­ tungsraum (15) geschaffen, in den über eine Zündkerze (12) ein Zündfunke (14) eindringen kann, um das verdichtete Kraft­ stoff-Luft-Gemisch (10) zu zünden.

Bei dem weiter oben beschriebenen Vorgang entsteht Wärme, die zumindest zum Teil dadurch abgeführt werden kann, daß der Zylinderkopf (16) mit Kühlräumen (17) umgeben ist, die vom Kühlwasser durchströmt sind.

Aufgrund der Zündung im Verdichtungsraum (15) bzw. Brennraum (4) wird nun der Kolben (3) nach unten gedrückt, wobei er zwangsgedreht ist, wie weiter hinten noch erläutert ist, so daß diese Leistung über die Kolbenwelle (7) auf die Antriebswelle (6) mit der Zahnfläche (18) übertragen werden kann. Dabei ist die Kolbenwelle (7) so gelagert, daß das Zahnrad (8) immer gleichmäßig in die Zahnfläche (18) eingreifen kann.

Bei Fig. 3 hat der Kolben (3) seinen unteren Totpunkt erreicht, wobei nun über eine Nockenwelle (20) gesteuert das Auslaßventil (19) öffnet. Dies erfolgt, weil über den Nocken der Nockenwelle (20) die Kraft der Ventilfeder (21) überspielt und der am Ende des Ventilschaftes (23) befind­ liche Ventilteller (22) aus seiner Dichtung herausgeschoben wird.

Mit dem Hochbewegen des Kolbens (3) wird nun das im Brennraum (4) befindliche Verbrennungsgas aus der Öffnung in die Leitung (24) hineingedrückt. Weiter oben ist erwähnt, daß während des Auf- und Abbewegens eine Zwangsdrehung des Kolbens (3) erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, daß auf bzw. im Innenmantel (28) des Kolbens (3) eine sinusförmig verlaufende Rille (25) vorgesehen ist, in die der Zylinder­ innenwand (27) zugeordnete Führungsbolzen (26) eingreifen. Bedingt durch diese Zwangsführung des Kolbens (3) muß dieser sich drehen, wodurch gleichzeitig auch die Kolbenwelle (7) mitgenommen wird, deren Zahnrad (8) dadurch in die Zahnfläche (18) eingreifend die Leistung auf die Antriebswelle (6) weitergibt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Kolben (3), in den ein Mitnahmeteil (30) eingeführt ist und zwar genauer gesagt in eine senkrecht verlaufende Ausnehmung (31). Diese Aus­ nehmung (31 bzw. 34) ist so geformt, daß das Mitnahmeteil (30) zwar in senkrechter Richtung sich auf- und abbewegen kann, beim Drehen des Kolbens (3) aber automatisch mitgenom­ men wird. Da es sich hier um einen Schnitt durch den Kolben (3) handelt, ist die Rille (25) nur in einem Teilschnitt sichtbar. Sie verläuft aber, wie aus Fig. 1 bis 4 ersicht­ lich, als Sinuskurve jeweils mit einem bzw. mehreren oberen Umkehrbögen und unteren Umkehrbögen. Bei dem aus Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Ausführungsbeispiel sind es je zwei obere Umkehrbögen und zwei untere Umkehrbögen.

Zur Verringerung der Reibung ist das Mittelteil des Kolbens etwas abgesetzt. Bei der aus Fig. 6 ersichtlichen Ausführung sind die oberen und unteren Absätze (35, 36) nur in einem relativ engen Bereich vorhanden, so daß sich ein sehr breiter abgesetzter Teil im Bereich des Außenmantels (28) ergibt. Diese Ausbildung ist auch für die Schmierung von Vorteil, zumal eine ausreichende Abdichtung zwischen Antriebsteil und Verbrennungsteil gegeben ist.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder (2), wobei hier deutlich gemacht ist, daß über die Höhe und auch über den Umfang gesehen jeweils mehrere Führungsbolzen (26) zum Einsatz kommen. Sie werden von außen her in den Zylinder (2) eingesetzt, wozu Bohrungen (39) und Verschrau­ schraubungen (40) vorgesehen sind. Mit (41) ist der Zylinderraum bezeichnet, während (38) gemäß Fig. 6 der Raum ist, der innerhalb des Kolbens (3) sich volumenmäßig verändert, wenn der Kolben (3) auf der Kolbenwelle (7) sich auf- und abbe­ wegt. Ein Druckausgleich mit dem großen Vorkompressionsraum (37) wird über eine Bohrung (44) hergestellt. Die sich hier­ durch im Vorkompressionsraum (37) ergebende Verdichtung von Verbrennungsluft wird vorteilhaft ausgenutzt, wobei hier auf die zeichnerische Erläuterung von Einzelheiten verzichtet ist.

Nach Fig. 1 wird die bereits angesprochene Vorkom­ pression der Verbrennungsluft dadurch erreicht, daß beim Abwärtsbewegen des Kolbens (3) im Vorkompressionsraum (37) die dort vorhandene und eingesaugte Verbrennungsluft zwangs­ weise verdichtet wird. Das Luftauslaßventil (43) ist dabei so eingestellt, daß es erst bei Erreichen vorgegebener Kompressionswerte öffnet. Die kompremierte Verbrennungsluft, die vorher beim Aufwärtsbewegen des Kolbens (3) über das Lufteinlaßventil (42) in den Vorkompressionsraum (37) einge­ strömt ist, wird dann über eine Leitung (45) einem Druckbe­ hälter (46) zugeführt. Über eine Leitung (47) erreicht dann die komprimierte Verbrennungsluft den Brennraum (4), wenn dort ein Bedarf gegeben ist.

Die notwendige Kompression im Vorkompressionsraum (37) und auch zugleich eine Führung für die Kolbenwelle (7) wird durch das Lager (29) erreicht, das zugleich einen Abschluß zum Wellenraum (13) darstellt, der mit Öl gefüllt ist.

Aufgrund der Auf- und Abbewegung des Kolbens (3) ver­ ändert sich das Volumen des Raums (38) im Kolben (3), in dem die Kolbenwelle (7) geführt ist. Um hier den nachteiligen Aufbau eines Druckpolsters zu vermeiden, ist dieser Raum (38) mit dem Vorkompressionsraum (37) über einen Verbindungs­ spalt (44) bzw. eine Bohrung verbunden.

Möglich ist es auch, bei einem derartigen Verbrennungs­ motor Verbrennungsgase teilweise in den Brennraum (4) zurück­ zuführen.

Fig. 1 zeigt das Ansaugen des Verbrennungsluftgemisches, Fig. 2 das Verdichten des Verbrennungsluftgemisches, Fig. 3 die Abwärtsbewegung des Kolbens und damit den Zeitpunkt der Leistung der Arbeit und Fig. 4 den Ausstoß des Verbren­ nungsluftgemisches, wobei diese einzelnen Arbeitstakte je­ weils gleichzeitig dazu ausgenutzt werden, im Vorkom­ pressionsraum (37 bzw. 38) Verbrennungsluft zu komprimieren und dann dem Behälter (46) zuzuführen, um sie dort zu spei­ chern. Aufgrund der Taktverhältnisse wird in diesem Raum eine größere Menge an Verbrennungsluft eingegeben, so daß die Druckverhältnisse gezielt verändert und vor allem ver­ bessert werden können.

Claims (3)

1. Verbrennungsmotor, bei dem durch Verbrennen eines Kraft­ stoff-Luft-Gemisches (10) ein in einem Zylinder (2) bzw. Brennraum (4) auf- und ab- und sich drehend bewegter Kolben (3), der über eine Kolbenwelle (7) mit einer Antriebswelle (6) verbunden ist und auf seinem Außenman­ tel (28) eine mit einem der Zylinderinnenwand (27) zuge­ ordneten Führungsbolzen (26) korrespondierende Führungs­ rille (25) aufweist, in mehreren Takten mechanische Arbeit leistet, wobei unterhalb des Kolbens (3) ein Vorkompressionsraum (37) für die Verbrennungsluft vorge­ sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkom­ pressionsraum (37) und ein die Kolbenwelle (7) aufnehmen­ der Raum (38) im Kolben (3) als gemeinsamer Kompressions­ raum ausgebildet sind, der mit einem Verbrennungsluft­ speicher (46) verbunden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verbrennungsluftspeicher als gekühlter Druckbehälter (46) ausgebildet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorkompressionsraum (37) und der Raum (38) über eine Bohrung (44) miteinander verbunden sind.