EP0193183A1 - Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine - Google Patents

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EP0193183A1
EP0193183A1 EP86102487A EP86102487A EP0193183A1 EP 0193183 A1 EP0193183 A1 EP 0193183A1 EP 86102487 A EP86102487 A EP 86102487A EP 86102487 A EP86102487 A EP 86102487A EP 0193183 A1 EP0193183 A1 EP 0193183A1
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EP
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cylinder
cylinders
fuel
pistons
overflow
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Withdrawn
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EP86102487A
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English (en)
French (fr)
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Reinhold Ficht
Manfred Schindler
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Ficht GmbH
Original Assignee
Ficht GmbH
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    • F01B9/023—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with crankshaft of Bourke-type or Scotch yoke
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    • F01L7/00—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements
    • F01L7/08—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements with conically or frusto-conically shaped valves
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    • 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
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    • F02B33/26—Four-stroke engines characterised by having crankcase pumps
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
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    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four

Definitions

  • the known method has disadvantages in that the charging quality for the individual cylinders is insufficient, particularly in the case of high-speed engines. This fact results from the fact that during the charging cycle, i.e. during the inward stroke of the two pistons, the fresh air or the charge air mixture intended for the respective cylinder must first be accelerated or moved in its or its total quantity by the two pistons, since no noticeable compression could have occurred beforehand because the inlet valve for the cylinder to be charged had already opened during the inward stroke of the two pistons. The inertia of the charge air column to be accelerated then results in loss of charge or loss of charge, which reduces the specific output of the cylinders or the so-called liter output. Furthermore, the fresh air or the charge air mixture is conducted there via the interior of the crankcase, which is also disadvantageous.
  • the object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the known charging method and to provide a four-stroke internal combustion engine with a charging system that improves the charging capacity, especially in high-speed engines, and in which mixture intake via the crankcase is avoided.
  • the invention relates to a four-stroke internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • DE-OS 33 15 853 shows a method for operating a four-stroke engine with pairs of opposing cylinders that work 180 ° out of phase.
  • the pistons move in opposite directions and their reciprocating motion is converted into a rotary motion by means of a crank mechanism.
  • the two pistons move outwards at the same time, ie towards the cylinder head, fresh air or fuel-air mixture is drawn into the crankcase via an inflow check valve.
  • the simultaneous inward stroke i.e.
  • This increase in performance is based in particular on the fact that, during the respective work cycle, the piston moving downward, with the aid of the overflow check valve, stores a first subset of the total charge air or the fuel / air mixture in the overflow channel with pre-pressure (overpressure), which is required for the subsequent charging of the cylinder is immediately available, that is, as it were, in front of the combustion chamber, ie in front of the still closed cylinder inlet element. If this is then opened at the start of the charging cycle, the first subset of the charge air or the fuel-air mixture, which is under pre-pressure, flows very quickly into the combustion chamber.
  • pre-pressure overpressure
  • a cranked loop motor complies with the charging system according to the invention in that the individual cylinders can be hermetically sealed against the crankcase.
  • the four-stroke internal combustion engine consists essentially of two opposing cylinders 1 and 2 with attached cylinder heads 3 and 4.
  • a piston 5 and 6 are mounted, which move in a straight line Piston rods 7 and 8 and by a rigidly attached to this crank loop frame 9 are firmly coupled.
  • the crank loop frame includes a link 10, in which a sliding block 11 runs, which engages the crank arm of the crankshaft 12.
  • overflow ducts 15 and 16 are connected to the overflow pipe connections 13 and 14 provided there, each of which leads to a cylinder head inlet 17 and 18, respectively.
  • Flow channels 15 and 16 are controlled by overflow check valves 19 and 20, which open to the overflow channels 15 and 16, but block in the opposite direction.
  • Both the cylinder head inlets 17 and 18 and the cylinder head outlets 21 and 22 are controlled by a rotary valve 23 and 24, respectively.
  • intake ports 25 and 26 which are likewise arranged at the lower end of the cylinders 1 and 2, specifically opposite the overflow pipe ports 13 and 14. They serve for the inflow of fresh air or a fuel-air mixture.
  • Inflow check valves 27 and 28 are also installed in these intake ports 25 and 26. Diaphragm valves known per se serve as check valves.
  • the two-cylinder internal combustion engine which works according to the four-stroke process works as follows: According to FIG. 1 of the drawing, the piston 5 has just finished the compression stroke in cylinder 1 and is at top dead center TDC - crankshaft and rotary valve take the zero position -. During the compression stroke, the piston 5 simultaneously sucked in fresh air (charge air) or a fuel-air mixture via the intake port 25 and the inflow check valve 27 into the lower cylinder chamber 29. The rotary valve 23 closes both the cylinder head inlet 17 and the cylinder head outlet 21 of the cylinder head 3 during the above-described processes. Just before the piston 5 has reached the top dead center TDC, the ignition starts and the combustion of the fuel Air mixture begins.
  • This fresh air quantity or fuel-air mixture quantity is the first partial quantity (1st TM) of the total fresh air or the entire fuel-air mixture to fully charge a cylinder (a cylinder charge) (Fig. 1 and 2).
  • This first subset (1.TM) of fresh air or fuel-air mixture remains pre-compressed in the overflow channel 15 during the subsequent exhaust stroke, in which the piston 5 moves to the top dead center TDC - crankshaft rotation 360 °, rotary slide valve rotation 180 ° -; see. Fig. 3.
  • the overflow channel 15 also the overflow channel 16
  • 2nd TM a second partial quantity of fresh air or charge air or fuel-air mixture is conveyed through the intake port 25 via the inflow check valve 27 into the lower cylinder chamber 29 by negative pressure (FIG. 3).
  • the cylinder 2 works together with its piston 6 with respect to the cylinder 1 with its piston 5 out of phase by 180 °, as is immediately apparent from the drawing in conjunction with the above description.

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Abstract

In einer Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern und Kolben, die um 180° phasenverschoben arbeiten und über mit einer Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Kolbenstangen miteinander gekoppelt sind und während ihrer Hubbewegungen vom unteren zum oberen Totpunkt Frischluft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch über ein Ansaugsystem mit Einströmsteuerung bzw. Rückstromsperre zu Zylinderräumen unterhalb der Kolben durch Unterdruck fördern, während durch die abwärtsgehenden Kolben die vorher angesaugt Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch über Überstömkanäle in den Verbrennungsraum der Zylinder geschoben wird, sind für jeden Zylinder eigene, der Versorgung mit Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch dienende Ansaug- und Überströmsysteme mit Überström-Rückschlagventilen vorgesehen und die Zylinder in bezug auf den Gaswechsel voneinander getrannt; vgl.

Description

  • Zylinder, der momentan den Ladetakt vollzieht, währenddessen im anderen Zylinder der Arbeitstakt abläuft. Während der nächsten Kurbelwellenumdrehung wird dann mit Hilfe der beiden nach abwärts gehenden Kolben zuerst Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch in den Kurbelgehäuseraum über das vorerwähnte Einströmrückschlagventil angesaugt, um dann bei der Einwärtsbewegung der beiden Kolben in den anderen Zylinder übergeführt zu werden.
  • Das bekannte Verfahren weist insofern Nachteile auf, als die Aufladequalität für die einzelnen Zylinder, insbesondere bei schnelllaufenden Motoren ungenügend ist. Dieser Umstand resultiert daraus, daß beim Ladetakt, d.h. beim Einwärtshub der beiden Kolben die für den jeweiligen Zylinder bestimmte Frischluft bzw. das Ladeluftgemisch in ihrer bzw. seiner Gesamtmenge durch die beiden Kolben erst beschleunigt bzw. bewegt werden muß, da vorher keine spürbare Verdichtung zustande kommen konnte, weil das Einlaßventil für den aufzuladenden Zylinder beim Einwärtshub der beiden Kolben bereits geöffnet hatte. Durch die Trägheit der zu beschleunigenden Ladeluftsäule treten dann Ladungsverluste bzw. Füllungseinbußen auf, welche die spezifische Leistung der Zylinder bzw, die sog. Literleistung vermindert. Ferner wird dort die Frischluft bzw. das Ladeluftgemisch über das Innere des Kurbelgehäuses geführt, was ebenfalls nachteilig ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Nachteile der bekannten Ladeverfahren zu beseitigen und eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit einem Ladesystem zu schaffen, daß die Ladekapazität, insbesondere auch bei schnellaufenden Motoren wesentlich verbessert und bei dem die Gemischansaugung über das Kurbelgehäuse vermieden ist.
  • Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Brennkraftkolbenmaschinen mit paarweise einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern, deren Kolben mit ihrer Unterseite beim Aufwärtshub Frischluft oder Kraftstoff-Luftgemisch in den Innenraum des Kurbelgehäuses ansaugen und beim Abwärtshub diese Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch im Kurbelgehäuse vorverdichten und gleichzeitig durch einen Überströmkanal in einen Zylinder fördern, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt.
  • So zeigt z.B. die DE-OS 33 15 853 ein Verfahren zum Betreiben eines Viertaktmotors mit paarweise gegenüberliegenden Zylindern, die um 180° phasenverschoben arbeiten. Die Kolben bewegen sich gegenläufig und ihre hin- und hergehende Bewegung wird mittels eines Kurbeltriebes in Rotationsbewegung umgewandelt. Bei der gleichzeitigen Bewegung der beiden Kolben nach außen, d.h. zum Zylinderkopf hin, wird Frischluft oder Kraftstoff-Luftgemisch über ein Einström-Rückschlagventil in den Kurbelraum hinein angesaugt. Anschließend wird beim gleichzeitigen Einwärtshub, also beim Bewegen der beiden Kolben zum Kurbeltrieb hin, die vorher angesaugte Frischluft oder das Frischgas aus dem Kurbelraum durch einen Kanalzweig eines gemeinsamen überströmkanalsystems in den Verbrennungsraum nur eines der beiden gegenüberliegenden Zylinder gedrückt, und zwar in den Dadurch, daß erfindungsgemäß das Aufladesystem in bezug auf die beiden Zylinder in bezug auf den Gaswechsel völlig getrennt arbeitet, wird die Voraussetzung geschaffen für ein leistungsverbessertes Arbeiten der einzelnen Zylinder. Diese Leistungssteigerung basiert insbesondere darauf, daß beim jeweiligen Arbeitstakt durch den abwärts sich bewegenden Kolben mit Hilfe des Überström-Rückschlagventils eine erste Teilmenge der gesamten Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches im überströmkanal mit Vordruck (Überdruck) gespeichert wird, die für die spätere Aufladung des Zylinders sofort zur Verfügung steht, d.h. die gewissermaßen vor dem Brennraum, d.h. vor dem noch geschlossenen Zylinder-Einlaßorgan steht. Wird dieses dann zu Beginn des Ladetaktes geöffnet, strömt die unter Vordruck stehende erste Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches sehr rasch in den Verbrennungsraum hinein. Ihr folgt dann unmittelbar die zweite Teilmenge der Ladeluft bzw. des Kraftstoff-Luftgemisches nach, die während des Ansaugtaktes durch den abwärtsgehenden Kolben über das Überström-Rückschlagventil und durch den überströmkanal in den Zylinderraum gelangt. Infolge der durch den Vordruck initierten hohen Einströmgeschwindigkeiten der ersten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches in den Zylinder wird ein auf die zweite Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches einwirkender Nachsog erzeugt, der seinerseits das Einströmen der zweiten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches unterstützt. Das impulsivere Einströmen der ersten Teilmenge der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches bewirkt außerdem eine intensivere und schnellere Vermischung zwischen Kraftstoff und Luft, was den Verbrennungswirkungsgrad erhöht und damit zu einer besseren Leistungsausbeute führt.
  • Die Bauweise eines Kurbelschleifenmotors kommt dem erfindungsgemäßen Ladesystem insofern entgegen, als die einzelnen Zylinder gegenüber dem Kurbelgehäuse praktisch hermetisch abgeschlossen werden können.
  • Aus der DE-PS 920 758 ist zwar eine Brennkraftmaschine mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern bekannt, deren Kolben mittels Kolbenstangen über eine Kurbelschleife miteinander verbunden sind. Jedoch handelt es sich dort um eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei der lediglich zum Brennraum führende Einlaßventile vorhanden sind, und bei der das Gasgemisch ebenfalls über den beiden Zylindern gemeinsamen Kurbelschleifenraum zugeführt wird.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mehr oder minder schematisch dargestellt. Es zeigen
    • Figur 1 eine Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit zwei gegenüberliegenden Zylindern und gleichlaufenden Kolben mit einem Kurbelschleifentrieb, mit einem Kolben im oberen Totpunkt, entsprechend Takt I,
    • Figuren 2 bis 4 die Kolbenstellungen der beiden Zylinder nach Figur 1 gemäß den verschiedenen motorischen Takten II bis IV.
  • Wie aus den Figuren 1 bis 4 hervorgeht, besteht die Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine im wesentlichen aus zwei gegenüberliegenden Zylindern 1 und 2 mit aufgesetzten Zylinderköpfen 3 und 4. In den Zylindern 1 und 2 sind je ein Kolben 5 und 6 gelagert, die über geradlinig sich bewegende Kolbenstangen 7 und 8 und durch einen an diesen starr befestigten Kurbelschleifenrahmen 9 fest miteinander gekoppelt sind. Der Kurbelschleifenrahmen schließt eine Kulisse 10 ein, in der ein Gleitstein 11 läuft, der am Kurbelarm der Kurbelwelle 12 angreift. Am unteren Ende der Zylinder 1 und 2 sind an dort vorgesehenen überström-Rohrstutzen 13 und 14 Überströmkanäle 15 und 16 angeschlossen, die jeweils zu einem Zylinderkopfeinlaß 17 bzw. 18 führen. Die überströmkanäle 15 und 16 werden gesteuert durch überström-Rückschlagventile 19 und 20, die zu den überströmkanälen 15 und 16 hin öffnen, in umgekehrter Richtung jedoch sperren. Sowohl die Zylinderkopfeinlässe 17 und 18 als auch die Zylinderkopfauslässe 21 und 22 werden jeweils durch einen Drehschieber 23 bzw. 24 gesteuert. Ferner sind Ansaugstutzen 25 und 26 vorhanden, die ebenfalls am unteren Ende der Zylinder 1 und 2, und zwar gegenüber den überström-Rohrstutzen 13 und 14, angeordnet sind. Sie dienen zum Einströmen der Frischluft oder eines Kraftstoff-Luftgemisches. In diesen Ansaugstutzen 25 und 26 sind ebenfalls Einström-Rückschlagventile 27 und 28 eingebaut. Als Rückschlagventile dienen an sich bekannte Membran-Ventile.
  • Die dargestellte, nach dem Viertaktverfahren arbeitende Zweizylinder-Brennkraftkolbenmaschine arbeitet wie folgt: Nach Fig. 1 der Zeichnung hat der Kolben 5 gerade den Verdichtungstakt im Zylinder 1 beendet und befindet sich im oberen Totpunkt OT - Kurbelwelle und Drehschieber nehmen die Null-Stellung ein - . Während des Verdichtungstaktes hat der Kolben 5 gleichzeitig Frischluft (Ladeluft) oder ein Kraftstoff-Luftgemisch über den Ansaugstutzen 25 und das Einström-Rückschlagventil 27 in den unteren Zylinderraum 29 angesaugt. Der Drehschieber 23 verschließt während der vorbeschriebenen Vorgänge sowohl den Zylinderkopf-Einlaß 17 wie auch den Zylinderkopf-Auslaß 21 des Zylinderkopfes 3. Kurz bevor der Kolben 5 den oberen Totpunkt OT erreicht hat, setzt in üblicher Weise die Zündung ein und die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches beginnt. Durch den steigenden Druck der Verbrennungsgase wird der Kolben 5 zum unteren Totpunkt UT - die Kurbelwelle hat sich um 1800 und der Drehschieber um 90° gedreht - bewegt und schiebt dabei die im unteren Zylinderraum 29 befindliche Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch über das überström-Rückschlagventil 19 in den Überströmkanal 15 hinein. Diese Frischluftmenge bzw. Kraftstoff-Luftgemischmenge wird als erste Teilmenge (1.TM) der gesamten Frischluft bzw. des gesamten Kraftstoff-Luftgemisches zur vollen Aufladung eines Zylinders (eine Zylinderfüllung) bezeichnet (Fig. 1 und 2). Diese erste Teilmenge (1.TM) an Frischluft bzw. an Kraftstoff-Luftgemisch bleibt während des darauffolgenden Auspufftaktes, bei dem der Kolben 5 sich zum oberen Totpunkt OT - Kurbelwellendrehung 360°, Drehschieberdrehung 180° - hin bewegt, im Überströmkanal 15 vorverdichtet gespeichert; vgl. Fig. 3. Um einen Vordruck dieser ersten Teilmenge zu erreichen, ist der Überströmkanal 15 (auch der überströmkanal 16) volumenmäßig kleiner als das Hubvolumen des unteren Zylinderraumes 29, des Zylinders 1 und des unteren Zylinderraumes 30 des Zylinders 2. Während des Auspufftaktes wird eine zweite Teilmenge (2.TM) von Frischluft bzw. Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch durch den Ansaugstutzen 25 über das Einström-Rückschlagventil 27 in den unteren Zylinderraum 29 hinein durch Unterdruck gefördert (Fig. 3).
  • Nun erfolgt der Ansaugtakt (Fig. 4), bei dem der Kolben 5 nach unten in den UT geht - Kurbelwellendrehung nunmehr 540°, Drehschieberdrehung nunmehr 270° - und der Zylinderkopfeinlaß 17 durch den Drehschieber 23 freigegeben ist. Die im überströmkanal 15 mit Überdruck gespeicherte erste Teilmenge (1.TM) der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches strömt sofort mit hoher Eigendynamik in den Verbrennungsraum 30 ein; ihr folgt die durch den abwärts sich bewegenden Kolben 5 angetriebene zweite Teilmenge (2.TM) der Ladeluft oder des Kraftstoff-Luftgemisches über das Überström-Rückschlagventil 19 und durch den Überströmkanal 15 sofort nach (Fig. 4) - Kurbelwellendrehung nunmehr 720° (wieder bei 0°), Drehschieberdrehung nunmehr 360° (wieder bei 0°) - .
  • Der Zylinder 2 arbeitet zusammen mit seinem Kolben 6 in bezug auf den Zylinder 1 mit seinem Kolben 5 um 180° phasenverschoben, wie sich aus der Zeichnung in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung sofort ergibt.

Claims (5)

1. Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Zylindern und Kolben, die um 1800 phasenverschoben arbeiten und über mit einer Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Kolbenstangen miteinander gekoppelt sind und während ihrer Hubbewegungen vom unteren zum oberen Totpunkt Frischluft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch über ein Ansaugsystem mit Einströmsteuerung bzw. Rückstromsperre zu Zylinderräumen unterhalb der Kolben durch Unterdruck fördern, während durch die abwärtsgehenden Kolben die vorher angesaugte Frischluft oder das Kraftstoff-Luftgemisch über überströmkanäle in den Verbrennungsraum der Zylinder geschoben wird, dadurch gekennzeichnet , daß das zur Versorgung mit Ladeluft oder Kraftstoff-Luftgemisch dienende Ansaug-und überströmsystem für jeden Zylinder (1 und 2) in bezug auf den Gaswechsel voneinander getrennt ist.
2. Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Zylinder (1 und 2) je einen überströmkanal (15 bzw. 16) aufweist, dessen Anschlußbereich am unteren Ende der Zylinder (1 und 2) mündet und jeweils durch ein überström-Rückschlagventil (19 bzw. 20) abgeschlossen ist, daß jeder Zylinder (1 und 2) am unteren Zylinderende je einen Ansaugstutzen (25 bzw. 26) aufweist, in dem jeweils ein Einström-Rückschlagventil (27 bzw. 28) angeordnet ist, und daß die den Zylindern (1 und 2) zugeordneten Kolben (5 und 6) über geradlinig bewegte Kolbenstangen und durch einen mittig gelegenen Kurbelschleifentrieb, der die gleichlaufend hin- und hergehende Bewegung der beiden Kolben in eine Rotationsbeweauna umwandelt miteinander aekoDDelt sind.
3. Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Speichervolumen der überströmkanäle (15 und 16) kleiner ist als das Hubvolumen der unteren Zylinderräume (29 und 30).
4. Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die den Brennräumen der Zylinder (1 und 2) zugeordneten Ventile Drehschieberventile (23,24) und die den unteren Zylinderräumen zugeordneten Rückschlagventile (19, 20, 27, 28) Membranventile sind.
5. Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,, daß die unteren Zylinderräume der Zylinder (1 und 2) gegenüber dem Kurbelschleifentrieb (9, 11) abgedichtet sind.
EP86102487A 1985-02-28 1986-02-26 Viertakt-Brennkraftkolbenmaschine Withdrawn EP0193183A1 (de)

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