EP4273378A1 - Verbrennungsmotor nach dem hubkolbenprinzip - Google Patents

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EP4273378A1
EP4273378A1 EP23171607.7A EP23171607A EP4273378A1 EP 4273378 A1 EP4273378 A1 EP 4273378A1 EP 23171607 A EP23171607 A EP 23171607A EP 4273378 A1 EP4273378 A1 EP 4273378A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
partition
internal combustion
combustion engine
engine according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23171607.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Brieschenk
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP4273378A1 publication Critical patent/EP4273378A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/14—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using reverse-flow scavenging, e.g. with both outlet and inlet ports arranged near bottom of piston stroke
    • F02B25/18—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using reverse-flow scavenging, e.g. with both outlet and inlet ports arranged near bottom of piston stroke the charge flowing upward essentially along cylinder wall adjacent the inlet ports, e.g. by means of deflection rib on piston
    • 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
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/02—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
    • 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
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine based on the reciprocating piston principle according to the preamble of claims 1 or 2.
  • An internal combustion engine based on the reciprocating piston principle is, for example, a gasoline engine or a diesel engine.
  • a gas expands in a cylinder, which in a gasoline engine or a diesel engine is a fuel-air mixture injected into the combustion chamber, which is burned either by a spark plug or by self-ignition.
  • a piston is displaced within a cylinder, the movement of which is transmitted via a connecting rod to a crankshaft, which is thus set in rotation.
  • top means that the piston is in the area of the cylinder head at its top dead center and the term “bottom” means that the piston is in the area of its bottom dead center.
  • the piston moves from top to bottom during the intake stroke while the intake valve within the cylinder head is open. This causes an ignitable mixture to be sucked into the displacement.
  • the piston moves upwards and compresses the ignitable mixture into the combustion chamber. The mixture is then ignited by a spark plug or by self-ignition, which causes the mixture to expand and drive the piston back down. This is the work cycle.
  • the piston moves upward while the exhaust valve is open, expelling the exhaust gases through the exhaust pipe connected to it.
  • Alternative modes of operation of such an engine include, for example, allowing the camshaft, which opens and closes the valves, to rotate at twice the speed, turning the original four-stroke engine into a quasi-two-stroke engine, and the intake and exhaust valves sometimes at the same time are open.
  • undesirable mixing of inlet and outlet gases occurs.
  • the dynamics of this gas distribution in the displacement and in the combustion chamber have a negative impact on the performance and efficiency of the engine.
  • knock resistance is reduced due to the inclusion of exhaust gases in the displacement after the exhaust valve is closed.
  • the task is therefore to develop an internal combustion engine in such a way that the inlet flows are separated from the outlet flows in the best possible way in order to increase the performance, efficiency and knock resistance of the internal combustion engine.
  • the US 2,979,045 A shows an internal combustion engine based on the reciprocating piston principle with a cylinder in which a piston is arranged in an oscillating manner, the cylinder head having a pocket into which a partition wall attached to the piston crown can penetrate during the oscillating movement of the piston.
  • the WO 2012/158756 A1 shows an internal combustion engine based on the counter-piston principle with at least one cylinder, in which a first piston with a first piston crown and a second piston with a second piston crown are arranged to oscillate in opposite directions, the second piston crown opposite the first piston crown being connected to the wall of the cylinder facing it Pistons located at dead centers define a combustion chamber.
  • the subject of the invention is therefore an internal combustion engine based on the reciprocating piston principle, in which the piston 1 is provided with a partition wall extending from the piston crown 11 in the direction of the cylinder head 4, and the cylinder head has a pocket 9 into which the partition wall 2 falls during the oscillating movement of the piston 1 can penetrate, the partition 2 being curved along its vertical axis.
  • it can also be an internal combustion engine based on the counter-piston principle, in which a first piston and a second piston are arranged to oscillate in opposite directions, the second piston crown opposite the first piston crown being connected to the wall of the cylinder at their mutually facing dead centers Piston defines a combustion chamber, wherein the partition 2 is curved along its vertical axis.
  • the partition wall can, for example, have a rotation along the vertical axis or can be curved in order to adapt to a specific cylinder or a specific cylinder head geometry.
  • the vertical axis here is the axis of symmetry of the piston to which the partition wall relates.
  • the curvature is such that the partition can slide into the opposite pocket when the piston moves.
  • the partition can be gas-impermeable.
  • the partition can also have one or more openings, in particular those that are located in the area of the piston crown and/or openings that are distributed over the surface of the partition.
  • the partition is preferably designed as a separate element connected to the piston crown.
  • the partition wall can also be designed as an integral part of the piston and firmly connected to the piston crown.
  • the partition is a flexible deformable element.
  • the partition is a rigid element.
  • the partition can penetrate into the bag without contact.
  • the partition may slide within the pocket with seals located at the inlet of the pocket.
  • the partition wall advantageously consists of metal or a metallic alloy or a ceramic composite material.
  • the valves can be operated pneumatically. It doesn't matter whether there is only one inlet valve and only one outlet valve or several inlet and/or outlet valves. Thanks to the pneumatic actuation, the valves can be operated individually regardless of the rotation of the crankshaft and the engine can be operated in both two-stroke and four-stroke principles. It is possible to switch between both operating modes during operation.
  • the or each piston oscillates linearly in the cylinder.
  • the Figure 1 shows the piston 1 for an internal combustion engine according to the invention according to claims 1 and 2.
  • the piston 1 has, in a manner known per se, a substantially cylindrical piston jacket 12 and a piston crown 11. Furthermore, there are Figure 1 various piston rings 13 are shown, one of which serves as an oil scraper ring.
  • the features below the piston crown 11, i.e. the bearing for the connecting rod, which can be designed in a manner known per se, will not be discussed further.
  • a partition 2 extends upwards, i.e. in the direction of the cylinder head 4 shown in more detail in the following figures.
  • This partition 2 is curved along its vertical axis, i.e. the axis along which the piston 1 moves. It therefore does not extend exactly diagonally over the piston crown 11, but deviates from an exact diagonal through a curvature along the vertical axis.
  • the partition 2 is separated from the piston crown 11 by a flow area 14, namely in that the partition 2 is fastened to the edge of the piston crown 11 with connecting elements 15.
  • These connecting elements 15 can form a one-piece part together with the partition 2, possibly also together with the piston crown 11.
  • the partition 2 can be made in one piece with the connecting pieces 15 and the latter can be connected to the piston crown 11 by welding or other connecting techniques.
  • the partition 2 has a large number of openings 3 in addition to the flow area 14, which in the exemplary embodiment shown are further down, i.e in the direction of the piston crown 11, have a larger diameter and further up, i.e. in the direction of the cylinder head 4, have a smaller diameter. In the exemplary embodiment shown there are a total of nine openings 3.
  • the partition 2 is a rigid element which can be made from the same material as the piston 1 and the piston crown 11. Alternatively, there is the possibility that the partition 2 is a flexibly deformable element.
  • the partition 2 consists, for example, of metal or a metallic alloy or a ceramic composite material, a plastic or a combination of these materials.
  • the Figure 2 shows a top view of the piston crown 11 with the partition 2.
  • a cylinder head 4, as designed to interact with the in Figure 1 Piston 1 shown and described is suitable in Figure 3 shown. Part of the jacket 12 of the piston 1 can be seen here.
  • the cylinder head 4 has two inlet valves 6 and two outlet valves 8, with the outlet channel 7 also being shown in addition to the outlet valves 8. Only the jacket 12 of the piston 1 is shown.
  • the cylinder head 4 In order to accommodate the partition 2 of the piston 1, the cylinder head 4 must have a pocket 9, which is designed as a slot within a solid material cast with the cylinder head 4 and is sized so that this pocket 9 can completely accommodate the partition 2 can when the piston 1 is in the area of its top dead center.
  • the pocket 9 shown open at the top in the drawings is of course actually designed to be sealed at the top.
  • the pocket 9 is curved or arched in the same way as the partition 2, so that it can completely accommodate the partition 2.
  • Figure 4 makes a cut along the curvature of the partition 2 Figure 2 From this figure it can be seen how the partition 2 is located within the pocket 9 of the cylinder head 4 when the piston 1 is in the area of its top dead center and in this position together with the wall of the cylinder (not shown) and the cylinder head 4 and the piston crown 11 define a combustion chamber. Not either The ignition or glow devices for igniting the explosive mixture are shown.
  • Figure 4 It can be seen that the partition 2 can be accommodated in the pocket 9 and when the piston 1 oscillates within the cylinder (not shown), the partition 2 also oscillates within the pocket 9 in the same way.
  • Figure 5 shows a section perpendicular to the section Figure 4 .
  • the representation here is offset by 90°. They are clearly visible in Figure 5 the cylinder head 4 with an inlet valve 6, the inlet channel 5, an exhaust valve 8 and the outlet channel 7. Also shown is the partition 2 within the pocket 9 of the cylinder head 4. Both valves, i.e. the inlet valve 6 and the outlet valve 8, are in the position shown in closed position.
  • Figure 6 a similar representation Figure 5 , but in an offset parallel plane, in which the piston 1 is in the area of its bottom dead center, so the partition 2 is largely pulled out of the pocket 9 and only its upper area is inside the pocket 9.
  • FIG. 6 the flow 10 of the gases is shown, in a position of the valves that only occurs when a four-stroke engine is driven according to the two-stroke principle, i.e. with double the speed of the camshaft.
  • inlet valves 6 and outlet valves 8 can be opened at the same time and this results in a flow 10 from the inlet valves 6 in the direction of the piston crown 11, through the flow area 14 between the piston crown 11 and the partition 2 and through the openings 3 in the partition 2 into the outlet area and then through the outlet valves 8 into the outlet channel 7.
  • An internal combustion engine according to the invention can function either according to the reciprocating piston principle according to claim 1 or according to the counter-piston principle according to claim 2, with both a gasoline and a diesel engine being possible.
  • the valve control can take place in a manner known per se via camshafts and valve springs or via positive guidance, for example according to the desmodromic principle or by means of active control by actuators.
  • the engine can be operated either according to the four-stroke principle, as described in the introduction to the description, or according to a modified two-stroke principle, whereby in this case the camshaft controlling the valves (if one is present) is operated at double speed. In this case, it is also advantageous to control the valves without camshafts using actuators.
  • the internal combustion engine according to the invention equipped with such a piston can be designed as a single-cylinder or multi-cylinder engine of any design, for example as an in-line engine, V-engine or W-engine or as a boxer engine or, as described and claimed above, as an opposed-piston engine.
  • the lubrication of the partition 2 within the pocket 9 has not been described.
  • the interaction between these two elements can be designed in such a way that there is no contact, which means that no lubrication is necessary.
  • it can also be designed so that there is an oil outlet within the pocket 9 in order to lubricate the sliding of the partition 2 in the pocket 9.
  • Sealing lips can also be arranged at the entrance to the pocket 9.
  • valve control can also be carried out by using gas-dynamic valves or mechanical valves, for example poppet valves, rotary valves or slide valves or so-called "spherical valves", i.e. rotating valves which are designed as a ball or in the basic form as a rotating body.
  • the individual openings 3 in the partition 2 are arranged in such a way that a permeability profile is created for optimal flushing, combustion and efficiency.
  • the surfaces of the combustion chamber including the piston crown 10 and the other walls of the combustion chamber, can be provided with a thermal insulation layer in an advantageous embodiment. This means that less heat is lost and the hot, burned mixture cannot give off its heat to the cold walls. In this way the efficiency can be increased.
  • valves can either be operated in the classic way, i.e. by a camshaft driven by a crankshaft, or by actuators or pneumatically or electro-pneumatically.
  • actuators or pneumatically When actuated by actuators or pneumatically, the advantage is that the internal combustion engine can be operated in both the two-stroke and four-stroke principles and can be switched between these two operating modes during operation.
  • the invention was explained above using a rectilinear oscillating movement of the pistons.
  • the pistons it is also possible for the pistons to move on curved paths within a curved cylinder, i.e. on a circular path.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip, mit mindestens einem Zylinder, in welchem ein Kolben (1) mit einem Kolbenboden (11) oszillierend angeordnet ist, wobei der dem Kolbenboden (11) gegenüberliegende Zylinderkopf (4) mit der Wandung des Zylinders und dem Kolbenboden (11) des an seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens (1) einen Brennraum definiert, wobei der Kolben (1) mit einer sich von dem Kolbenboden (11) in Richtung des Zylinderkopfes (4) erststreckenden Trennwand versehen ist, und der Zylinderkopf eine Tasche (9) aufweist, in welche die Trennwand (2) während der oszillierenden Bewegung des Kolbens (1) eindringen kann. Bekannte derartige Verbrennungsmotoren weisen den Nachteil auf, dass eine Durchmischung der Einlassströmungen mit den Auslassströmungen stattfindet.Die Aufgabe, einen Verbrennungsmotor derart weiterzubilden, dass die Einlassströmungen bestmöglich von den Auslassströmungen getrennt werden wird dadurch gelöst, dass die Trennwand (2) entlang ihrer Hochachse gewölbt ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.
  • Bei einem Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip handelt es sich beispielsweise um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor. Hierbei dehnt sich ein Gas in einem Zylinder aus, wobei es sich bei einem Ottomotor oder einen Dieselmotor um ein in den Brennraum eingespritztes Kraftstoff-Luft-Gemisch handelt, welches entweder durch eine Zündkerze oder durch Selbstzündung zur Verbrennung gelangt. Infolge der Ausdehnung dieses Gases wird ein Kolben innerhalb eines Zylinders verdrängt, dessen Bewegung über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen wird, die auf diese Weise in Drehbewegung versetzt wird.
  • Man unterscheidet Zweitakt- und Viertakt-Motoren, wobei ein Viertakt-Motor im Zylinderkopf mindestens jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist und bei einem Zweitakt-Motor entweder Ventile im Zylinderkopf oder Schieberöffnungen oder eine Kombination in der Zylinderwand vorhanden sein können, um das zündfähige Gemisch in den Brennraum einbringen und die Auspuffgase aus dem Hubraum ausstoßen zu können.
  • Für die vorliegende Beschreibung bedeutet der Begriff "oben", dass sich der Kolben im Bereich des Zylinderkopfes an seinem oberen Totpunkt befindet und der Begriff "unten", dass sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts befindet.
  • In der vorliegenden Beschreibung ist von einem zündfähigen Gemisch die Rede, welches eingesaugt wird. Damit abgedeckt ist jedoch auch die Einsaugung von Luft im Falle eines Motors mit Direkteinspritzung. In diesem Falle wird unmittelbar nur Luft angesaugt und der Kraftstoff direkt eingespritzt. Auch diese Kombination von Luft und Kraftstoff soll im Folgenden unter "Gemisch" verstanden werden.
  • Bei einem klassischen Viertakt-Motor bewegt sich der Kolben während des Ansaugtakts von oben nach unten, während das Einlassventil innerhalb des Zylinderkopfes geöffnet ist. Hierdurch wird zündfähiges Gemisch in den Hubraum eingesogen. Im darauffolgenden Verdichtungstakt bewegt sich der Kolben nach oben und komprimiert das zündfähige Gemisch in den Brennraum. Anschließend erfolgt die Zündung des Gemisches durch eine Zündkerze oder durch Selbstzündung, wodurch das Gemisch expandiert und den Kolben wieder nach unten treibt. Hierbei handelt es sich um den Arbeitstakt. Im letzten Auspufftakt bewegt sich der Kolben nach oben, während das Auslassventil geöffnet ist und wodurch die Auspuffgase über den daran angeschlossenen Auspuff ausgestoßen werden.
  • Alternative Betriebsweisen eines solchen Motors bestehen beispielsweise darin, dass man die Nockenwelle, welche die Ventile öffnet und schließt, mit der doppelten Geschwindigkeit rotieren lässt, wodurch aus dem ursprünglichen Viertakt-Motor ein Quasi-Zweitakt-Motor wird, und Ein- und Auslassventile teilweise zeitgleich geöffnet sind. Insbesondere in einer solchen Betriebsweise, jedoch auch während des klassischen Betriebs eines Viertakt-Motors ergeben sich unerwünschte Durchmischungen von Einlass- und Auslassgasen. Die Dynamik dieser Gasverteilung im Hubraum und im Brennraum, wirkt sich negativ auf Leistung und Effizienz des Motors aus. Zudem verringert sich die Klopffestigkeit durch den Einschluss von Abgasen im Hubraum nach dem Schließen des Auslassventils.
  • Es besteht somit die Aufgabe, einen Verbrennungsmotor derart weiterzubilden, dass die Einlassströmungen bestmöglich von den Auslassströmungen getrennt werden, um Leistung, Effizienz und Klopffestigkeit des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
  • Die US 2,979,045 A zeigt einen Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip mit einem Zylinder, in welchem ein Kolben oszillierend angeordnet, wobei der Zylinderkopf eine Tasche aufweist, in welche eine an dem Kolbenboden befestigte Trennwand während der oszillierenden Bewegung des Kolbens eindringen kann.
  • Die WO 2012/158756 A1 zeigt einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip mit mindestens einem Zylinder, in welchem ein erster Kolben mit einem ersten Kolbenboden und ein zweiter Kolben mit einem zweiten Kolbenboden gegenläufig oszillierend angeordnet sind, wobei der dem ersten Kolbenboden gegenüberliegende zweite Kolbenboden mit der Wandung des Zylinders bei an ihren zugewandten Totpunkten befindlichen Kolben einen Brennraum definiert.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bei einem Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip bzw. des Anspruchs 2 bei einem Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip, bei welchem der Kolben 1 mit einer sich von dem Kolbenboden 11 in Richtung des Zylinderkopfes 4 erststreckenden Trennwand versehen ist, und der Zylinderkopf eine Tasche 9 aufweist, in welche die Trennwand 2 während der oszillierenden Bewegung des Kolbens 1 eindringen kann, wobei die Trennwand 2 entlang ihrer Hochachse gewölbt ausgebildet ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann es sich auch um einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip handeln, bei welchem ein erster Kolben und ein zweiter Kolben gegenläufig oszillierend angeordnet sind, wobei der dem ersten Kolbenboden gegenüberliegende zweite Kolbenboden mit der Wandung des Zylinders bei an ihren einander zugewandten Totpunkten befindlichen Kolben einen Brennraum definiert, wobei die Trennwand 2 entlang ihrer Hochachse gewölbt ausgebildet ist.
  • Die Trennwand kann z.B. entlang der Hochachse eine Drehung aufweisen oder gewölbt sein, um sich einem bestimmten Zylinder bzw. einer bestimmten Zylinderkopfgeometrie anzupassen. Die Hochachse ist hier die Symmetrieachse des Kolbens, auf den sich die Trennwand bezieht. Selbstverständlich ist die Wölbung derart, dass die Trennwand mit Bewegung des Kolbens in die gegenüberliegende Tasche gleiten kann.
  • In einer ersten Ausführungsform kann die Trennwand gasundurchlässig sein. In anderen Ausführungsformen kann die Trennwand jedoch auch eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, insbesondere solche, die sich im Bereich des Kolbenbodens befinden und/oder Öffnungen, welche über die Fläche der Trennwand verteilt angeordnet sind.
  • Bevorzugt ist die Trennwand als separates, mit dem Kolbenboden verbundenes Element ausgebildet.
  • Die Trennwand kann in einer alternativen Ausgestaltung jedoch auch als integraler Bestandteil des Kolbens und fest verbunden mit dem Kolbenboden ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise ist die Trennwand ein flexibles verformbares Element.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Trennwand ein starres Element.
  • Die Trennwand kann in einer bevorzugten Ausführungsform berührungslos in die Tasche eindringen.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die Trennwand innerhalb der Tasche gleiten, wobei Dichtungen am Einlass der Tasche angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich innerhalb der Tasche ein Ölaustritt für die Schmierung der bewegenden Trennwand innerhalb der Tasche.
  • Vorteilhaft besteht die Trennwand aus Metall oder einer metallischen Legierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können die Ventile pneumatisch betätigt werden. Hierbei spielt es keine Rolle, ob nur ein Einlassventil und nur ein Auslassventil oder mehrere Ein- und/oder Auslassventile vorhanden sind. Durch die pneumatische Betätigung können die Ventile unabhängig von der Umdrehung der Kurbelwelle individuell betätigt werden und der Motor ist sowohl im Zweitakt- als auch im Viertaktprinzip betreibbar. Eine Umschaltung beider Betriebsarten während des Betriebs ist möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform oszilliert der oder jeder Kolben auf linearem Wege in dem Zylinder.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • Fig. 1
    Eine perspektivische Darstellung eines Kolbens für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor;
    Fig. 2
    Eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Kolben;
    Fig. 3
    eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Zylinderkopfes mit einem sich daran annähernden Kolben;
    Fig. 4
    einen der Wölbung der Trennwand folgenden Schnitt aus Fig. 2;
    Fig. 5
    einen Schnitt senkrecht zu dem Schnitt gemäß Fig. 4 mit dem Kolben im Bereich des oberen Totpunkts;
    Fig. 6
    eine Darstellung gemäß Fig. 4 mit versetzter Schnittebene mit dem Kolben im Bereich des unteren Totpunkts, geöffneten Ventilen und Darstellung der Strömung.
  • Die Figur 1 zeigt den Kolben 1 für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und 2. Der Kolben 1 weist in an sich bekannter Weise einen im Wesentlichen zylindrischen Kolbenmantel 12 und einen Kolbenboden 11 auf. Ferner sind in Figur 1 verschiedene Kolbenringe 13 dargestellt, von denen einer als Ölabstreifring dient. Nicht weiter eingegangen wird auf die Merkmale unterhalb des Kolbenbodens 11, also die Lagerung für die Pleuelstange, die in an sich bekannter Weise ausgeführt sein kann.
  • Ausgehend von dem Kolbenboden 11 erstreckt sich eine Trennwand 2 nach oben, also in Richtung des in den folgenden Figuren näher dargestellten Zylinderkopfes 4. Diese Trennwand 2 ist entlang ihrer Hochachse, also der Achse, entlang sich der Kolben 1 bewegt, gewölbt ausgebildet. Sie erstreckt sich also nicht genau diagonal über dem Kolbenboden 11, sondern weicht von einer exakten Diagonalen durch eine Krümmung entlang der Hochachse ab. Die Trennwand 2 ist von dem Kolbenboden 11 durch einen Durchströmbereich 14 getrennt, und zwar dadurch, dass die Trennwand 2 mit Verbindungselementen 15 am Rande des Kolbenbodens 11 befestigt ist. Diese Verbindungselemente 15 können gemeinsam mit der Trennwand 2 ein einstückiges Teil bilden, ggf. auch gemeinsam mit dem Kolbenboden 11. Alternativ hierzu kann die Trennwand 2 mit den Verbindungsstücken 15 einstückig gearbeitet sein und letztere durch Schweißen oder andere Verbindungstechniken mit dem Kolbenboden 11 verbunden sein.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist die Trennwand 2 neben dem Durchströmbereich 14 eine Vielzahl von Öffnungen 3 auf, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter unten, also in Richtung des Kolbenbodens 11, einen größeren Durchmesser und weiter oben, also in Richtung des Zylinderkopfs 4, einen geringeren Durchmesser aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um insgesamt neun Öffnungen 3.
  • Die Trennwand 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein starres Element, welches aus dem gleichen Material wie der Kolben 1 und der Kolbenboden 11 gefertigt sein kann. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, dass die Trennwand 2 ein flexibel verformbares Element ist.
  • Die Trennwand 2 besteht beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff, einem Kunststoff oder einer Kombination dieser Materialien.
  • Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kolbenboden 11 mit der Trennwand 2. Hier wird das Ausmaß der Krümmung der Trennwand 2 entlang der Hochachse, welche senkrecht zu dem Kolbenboden 11 verläuft, besonders deutlich.
  • Ein Zylinderkopf 4, wie er sich zum Zusammenwirken mit dem in Figur 1 dargestellten und beschriebenen Kolben 1 eignet, ist in Figur 3 dargestellt. Von dem Kolben 1 ist hier ein Teil des Mantels 12 ersichtlich. Der Zylinderkopf 4 weist zwei Einlassventile 6 und zwei Auslassventile 8 auf, wobei zu den Auslassventilen 8 auch der Auslasskanal 7 dargestellt ist. Von dem Kolben 1 ist nur der Mantel 12 dargestellt. Um die Trennwand 2 des Kolbens 1 aufzunehmen muss der Zylinderkopf 4 über eine Tasche 9 verfügen, welche als Schlitz innerhalb eines mit dem Zylinderkopf 4 gegossenen Vollmaterials ausgebildet ist und in der Größe so bemessen ist, dass diese Tasche 9 die Trennwand 2 vollständig in sich aufnehmen kann, wenn sich der Kolben 1 im Bereich seines oberen Totpunkts befindet. Die in den Zeichnungen oben offen dargestellte Tasche 9 ist selbstverständlich tatsächlich oben abgedichtet ausgebildet. Die Tasche 9 ist in gleicher Weise gekrümmt bzw. gewölbt ausgebildet wie die Trennwand 2, sodass sie die Trennwand 2 vollständig aufnehmen kann.
  • Figur 4 stellt einen entlang der Wölbung der Trennwand 2 folgenden Schnitt aus Figur 2 dar. Aus dieser Figur ist ersichtlich, wie sich die Trennwand 2 innerhalb des Tasche 9 des Zylinderkopfs 4 befindet, wenn sich der Kolben 1 im Bereich seines oberen Totpunkts befindet und in dieser Stellung zusammen mit der Wandung des (nicht dargestellten) Zylinders und dem Zylinderkopf 4 sowie dem Kolbenboden 11 einen Brennraum definiert. Ebenfalls nicht dargestellt sind die Zünd- oder Glühvorrichtungen zum Zünden des explosionsfähigen Gemisches.
  • Figur 4 ist zu entnehmen, dass die Trennwand 2 in der Tasche 9 aufgenommen werden kann und bei oszillierender Bewegung des Kolbens 1 innerhalb des (nicht dargestellten) Zylinders auch die Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9 in gleicher Weise oszilliert.
  • Figur 5zeigt einen Schnitt senkrecht zu dem Schnitt aus Figur 4. Die Darstellung ist hier also um 90° versetzt. Gut erkennbar sind in Figur 5 der Zylinderkopf 4 mit einem Einlassventil 6, dem Einlasskanal 5, einem Auslassventil 8 und dem Auslasskanal 7. Ebenfalls dargestellt ist die Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9 des Zylinderkopfs 4. In der dargestellten Position sind beide Ventile, also das Einlassventil 6 und das Auslassventil 8 in geschlossener Position.
  • Schließlich zeigt Figur 6 eine Darstellung ähnlich Figur 5, jedoch in einer versetzten Parallelebene, bei der sich der Kolben 1 allerdings im Bereich seines unteren Totpunkts befindet, die Trennwand 2 also weitgehend aus der Tasche 9 herausgezogen ist und nur noch mit ihrem oberen Bereich sich innerhalb der Tasche 9 befindet.
  • Darüber hinaus ist in Figur 6 die Strömung 10 der Gase dargestellt, und zwar in einer Stellung der Ventile, wie sie nur vorkommt, wenn ein Viertaktmotor nach dem Zweitaktprinzip gefahren wird, also mit doppelter Drehzahl der Nockenwelle. In diesem Falle können Einlassventile 6 und Auslassventile 8 gleichzeitig geöffnet sein und es ergibt sich eine Strömung 10 von den Einlassventilen 6 in Richtung des Kolbenbodens 11, durch den Durchströmbereich 14 zwischen dem Kolbenboden 11 und der Trennwand 2 sowie durch die Öffnungen 3 in der Trennwand 2 hinein in den Auslassbereich und anschließend durch die Auslassventile 8 in den Auslasskanal 7.
  • Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor kann entweder nach dem Hubkolbenprinzip gemäß Anspruch 1 oder nach dem Gegenkolbenprinzip gemäß Anspruch 2 fungieren, wobei sowohl ein Otto- auch als ein Dieselmotor möglich sind. Die Ventilsteuerung kann in an sich bekannter Weise über Nockenwellen und Ventilfedern erfolgen oder über eine Zwangsführung, z.B. nach dem desmodromischen Prinzip oder aber mittels aktiver Steuerung durch Aktoren. Der Motor kann entweder nach dem Viertaktprinzip betrieben werden, wie es in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist oder nach einem modifizierten Zweitaktprinzip, wobei in diesem Falle die die Ventile steuernde Nockenwelle (falls eine solche vorhanden ist) mit doppelter Drehzahl betrieben wird. In diesem Falle ist es auch vorteilhaft, die Ventile ohne Nockenwellen mit Hilfe von Aktoren zu steuern.
  • Der mit einem derartigen Kolben ausgestattete erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann als Einzylinder- oder Mehrzylindermotor in beliebiger Bauart, z.B. als Reihenmotor, V-Motor oder W-Motor oder als Boxermotor oder, wie oben beschrieben und beansprucht, als Gegenkolbenmotor ausgebildet sein.
  • Nicht beschrieben wurde die Schmierung der Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9. Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Elementen kann so ausgestaltet sein, dass keine Berührung stattfindet, wodurch auch keine Schmierung nötig ist. Sie kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass innerhalb der Tasche 9 ein Ölaustritt vorhanden ist, um das Gleiten der Trennwand 2 in der Tasche 9 zu schmieren. Am Eintritt der Tasche 9 können auch Dichtlippen angeordnet sein.
  • In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können mehrere Hubraumtrennwände vorhanden sein, die entweder parallel oder in einem Winkel zueinander auf dem Kolbenboden angeordnet sind. Einströmende Gase oder Gemische aus Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen werden so weitgehend von den vollständig verbrannten ausströmenden Abgasen getrennt, wobei gleichzeitig eine hohe Durchlässigkeit während des Verbrennungsvorgangs und der Flammenausbreitung gewährleistet wird, jedoch eine niedrige Durchlässigkeit während der Ein- und Ausströmzeiten vorliegt. Die Ventilsteuerung kann auch dadurch erfolgen, dass gasdynamische Ventile oder mechanische Ventile eingesetzt werden, beispielsweise Tellerventile, Drehventile oder Schieberventile oder sogenannte "spherical valves", also rotierende Ventile die als Kugel oder in der Grundform als Rotationskörper ausgestaltet sind. Die einzelnen Öffnungen 3 in der Trennwand 2 sind so angeordnet, dass ein Durchlässigkeitsprofil für optimale Spülung, Verbrennung und Effizienz entsteht.
  • Die Oberflächen des Brennraums, also auch der Kolbenboden 10 und die weiteren Wandungen des Brennraums können in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Wärmedämmschicht versehen sein. Damit geht weniger Wärme verloren und das heiße, verbrannte Gemisch kann seine Wärme nicht an die kalten Wände abgeben. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad erhöht werden.
  • Die Ventile können entweder klassisch betrieben werden, also durch eine Nockenwelle, welche von einer Kurbelwelle angetrieben wird, oder aber durch Aktoren oder pneumatisch oder elektropneumatisch. Bei einer Betätigung durch Aktoren oder bei pneumatischer Betätigung ergibt sich der Vorteil, dass der Verbrennungsmotor sowohl im Zweitakt- als auch im Viertaktprinzip betreibbar ist und während des Betriebs zwischen diesen beiden Betriebsarten umgeschaltet werden kann.
  • Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer geradlinig oszillierenden Bewegung der Kolben erläutert. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Kolben auf gekrümmten Bahnen innerhalb eines gekrümmten Zylinders bewegen, also auf einer Kreisbahn.

Claims (16)

  1. Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip, mit mindestens einem Zylinder, in welchem ein Kolben (1) mit einem Kolbenboden (11) oszillierend angeordnet ist, wobei der dem Kolbenboden (11) gegenüberliegende Zylinderkopf (4) mit der Wandung des Zylinders und dem Kolbenboden (11) des an seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens (1) einen Brennraum definiert, wobei der Kolben (1) mit einer sich von dem Kolbenboden (11) in Richtung des Zylinderkopfes (4) erststreckenden Trennwand versehen ist, und der Zylinderkopf eine Tasche (9) aufweist, in welche die Trennwand (2) während der oszillierenden Bewegung des Kolbens (1) eindringen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) entlang ihrer Hochachse gewölbt ausgebildet ist.
  2. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit mindestens einem Zylinder, in welchem ein erster Kolben mit einem ersten Kolbenboden und zweiter Kolben mit einem zweiten Kolbenboden gegenläufig oszillierend angeordnet sind, wobei der den ersten Kolbenboden gegenüberliegende zweite Kolbenboden mit der Wandung des Zylinders bei an ihren einander zugewandten Totpunkten befindlichen Kolben einen Brennraum definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben mit einer sich von dem ersten Kolbenboden in Richtung des zweiten Kolbenbodens erstreckenden Trennwand versehen ist und der zweite Kolbenboden eine Tasche aufweist, in welche die Trennwand während der oszillierenden Bewegung der Kolben eindringen kann, wobei die Trennwand (2) entlang ihrer Hochachse gewölbt ausgebildet ist.
  3. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) gasundurchlässig ist.
  4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) eine oder mehrere Öffnungen (3) aufweist.
  5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung sich im Bereich des Kolbenbodens (11) befindet und/oder mehrere Öffnungen (3) über die Fläche der Trennwand (2) verteilt angeordnet sind.
  6. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) als separates, mit dem Kolbenboden (11) verbundenes Element ausgebildet ist.
  7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) als integraler Bestandteil des Kolbens (1) und fest verbunden mit dem Kolbenboden (11) ausgebildet ist.
  8. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand ein flexibles, verformbares Element ist.
  9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) ein starres Element ist.
  10. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) berührungslos in die Tasche (9) eindringt.
  11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) innerhalb der Tasche (9) gleitet und Dichtungen am Einlass der Tasche (9) angeordnet sind.
  12. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Tasche (9) ein Ölaustritt für die Schmierung der Bewegung der Trennwand (2) innerhalb der Tasche (9) vorgesehen ist.
  13. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) aus Metall oder einer metallischen Legierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff besteht.
  14. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des Brennraums ganz oder teilweise mit einer Wärmedämmschicht versehen sind.
  15. Verbrennungsmotor nach einer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (4) mindestens ein Einlassventil (6) und mindestens ein Auslassventil (8) aufweist, wobei diese Ventile pneumatisch betätigbar sind.
  16. Verbrennungsmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Kolben (1) linear innerhalb des zugehörigen Zylinders oszilliert.
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