-
Viertakt-Verbrennungsmotor
-
Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor, wie er zum
Antrieb von Kraftfahrzeugen und Krafträdern Verwendung findet.
-
Die Leistung eines derartigen Verbrennungsmotors ist bekanntlich von
dem Füllungsgrad eines Zylinders nach dem Ansaugen des Luft-Benzindampfgemisches
abhängig. Dieser Fü1-lungsgrad eines Verbrennungsmotors läßt sich, neben verschiedenen
konstruktiven Maßnahmen, die jedoch nur einen geringen Einfluß auf den Füllungsgrad
haben können, im wesentlichen nur dadurch erhöhen, daß der Druck des über das Einlaßventil
in den Zylinderraum gelangenden Luft-Benzindampfgemisches durch Vorkompression desselben
erhöht wird.
-
Zu diesem Zweck hat man bereits verschiedene Kompressionsanlagen entwickelt,
die jedoch sämtlich den Nachteil haben, daß sie als Zusatzaggregate zu dem Verbrennungsmotor
konstruiert und montiert werden müssen und somit erhebliche Kosten sowie auch einen
zusätzlichen Raumbedarf mit sich bringen. Zudem sind derartige zusätzliche Kompressionseinrichtungen
störanfällig.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkompression des
in den Motorzylinder zu liefernden Gas-Benzindampfgemisches ohne besondere Zusatzaggregate
zu bewirken, wobei der Motorkolben selbst die Verdichtungsarbeit leisten soll.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen das Gemischaufbereitungsaggregat
mit dem Kurbelgehäuseraum verbindenden
Ansaugkanal und mindestens
einen das Einlaßventil mit dem Kurbelgehäuseraum verbindenden Überströmkanal gelöst,
in deren Einmündungen in das Kurbelgehäuse in Abhängigkeit vom Kolbenhub und dem
daraus resultierenden Druckwechsel betätigte atypische Ventile (Klappen oder Membranen)
angeordnet sind.
-
In einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wird mithin erstmals
der innerhalb des Kurbelgehäuseraumes beim Aufwärtshub des Kolbens entstehende Unterdruck
ausgenutzt, um das Luft-Benzindampfgemisch über den Vergaser anzusaugen und anschließend
während des Abwärtshubes des Kolbens dieses Gemisch zu verdichten und in einen Überströmkanal
zum Einlaßventil des Zylinders zu leiten. Diese Vorgänge wiederholen sich bei einem
Viertaktmotor im Rahmen eines Arbeitsspieles jeweils zweimal, so daß, wie später
noch erläutert wird, der Überströmkanal vom Kurbelgehäuseraum zum Einlaßventil zweimallaufgeladen
wird, ehe das Einlaßventil öffnet und das in dem Überströmkanal vorverdichtete Gemisch
mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den Verbrennungsraum des Zylinders eintritt.
-
Außer den in Abhängigkeit vom Kolbenhub zu betätigenden Ventilen in
den Einmündungsöffnungen des Ansaugkanals und des Überströmkanals zum Kurbelgehäuseraum
werden keine zusätzlichen bewegten Teile benötigt. Die Ansaug- und Kompressionsarbeit
wird von dem Motorkolben geleistet. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor arbeitet
deshalb sehr betriebssicher. Bei geringem konstruktiven Aufwand ist seine Leistung
erheblich höher als diejenige eines herkömmlichen Verbrennungsmotors.
-
Weitere Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l
bis 4 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in
den vier Hubphasen des Zylinders, Fig.5 die schematische Darstellung des Längsschnittes
durch den Zylinder eines erfindungsgemäßen Motors, Fig.6 einen zu dem Schnitt gem.Fig.7
senkrecht stehenden Schnitt durch das Zylindergehäuse, Fig.7 den schematisch dargestellten
Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors
mit abgewandeltem Plattenventil im Ansaugkanal und seitlichem Überströmkanal, Fig.8
den schematisch dargestellten Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Motors mit Plattendrehschieber-Einlaßsteuerung und einer
elastischen Ventilklappe zum Abschluß des Überströmkanals während der Ansaugphase,
Fig.9 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch einen Motor gem. Fig.8
in der Aufladephase, Fig.10 einen schematisch dargestellten Längsschnitt in der
Kurbelwellenebene durch den Motor gern. den Fig.6 u.7 in der Aufladephase, Fig.ll
einen schematisch dargestellten Längsschnitt in der Kurbelwellenebene durch ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors gem.Fig.13, der sogen.Zwangssteuerung
der Ansaugklappe, Ei§.12 einen Längsschnitt durch den Motor mit federbelasteter
Stößelsteuerung der Ansaugklappe gem. Fig.ll in einer senkrecht dazu liegenden Ebene,
Fig.
13 einen schematisch dargestellten Längsschnitt entsprechend demjenigen gem. Fig.ll
durch eine Zwangssteuerung der Ansaugklappe eines erfindungsgeiäßen Motors Fig.
14 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Zwangssteuerung
der Ventilklappe des Ansaugkanals und elastische.- Klappe des Uberströmkanals, Fig.
15 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit vierflilgeligen
elastischen Ventil des Überströmkanals, Fig.15a die Draufsicht auf die geschlossene
Ventilklappe, Fig. 15b die Draufsicht auf die geöffnete Ventilklappe, Fig.16 einen
Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel mit vierfltlgeliger elastischer
Ventilklappe im Ansaugkanal und im Überströmkanal, Fig.16a die Draufsicht auf eine
geöffnete Ventilklappe nach Fig. 16, Fig.16b die Draufsicht auf die geschlossene
Ventilklappe gem. Fig.16, Fig.17 einen Horizontaischnitt durch einen erfindungsgesMAen
Motor mit eingezeichneter Frischgasführung und Fig. 18 verschiedene atypische Federklappenventile
in verschiedener Funktionsstellung für die Ans auf kanal- und Überströmkanalsteuerung.
-
In den Fig.l u.4 sind anhand schematischer Längsschnitte die vier
Arbeitstakte eines Viertakt-Kolbenmotors dargestellt, denen die erfindungsgemäße
Vorkompression beigeordnet ist, die über die dargestellten erfindungsgemäßen Einrichtungen
erzielt wird.
-
Gem. Fig.l ist der Vergaser 1 mit dem Kurbelgehauseraum 2 durch den
Einlaßkanal 3 verbunden. Weiterhin ist der Kurbelgehäuseraum 2 durch den Überströmkanal
4 mit dem Einlaßventil 5 verbunden.
-
In der in Fig.l wiedergegebenen Phase soll der Kolben 6 einen Aufwärtshub
durchführen und dabei das zuvor in den Zylinder 7 gelangte Gasgemisch verdichten.
Die Aufwärtsbewegung des Kolbens 6 bewirkt naturgemäß einen Unterdruck im Kurbelgehäuseraum
2, demzufolge die schematisch angedeutete Ventilklappe 8 den Eintrittskanal 3 freigibt,
so daß ein Frischluft-Benzindampf-Gemisch in Richtung der Pfeile 9 in den Kurbelgehäuseraum
2 strömt und dort verwirbelt wird.
-
Nach Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens 6 kehrt sich
dessen Hubrichtung um, so daß jetzt, gem. Fig.2, eine Druckerhöhung innerhalb des
Kurbelgehäuseraumes 2 eintritt. Dadurch wird die Ventilklappe 10 des Überströmkanals
4 geöffnet und ein Teil des im Kurbelgehäuseraum 2 befindlichen Frischgasgemisches
in den Überströmkanal 4 gedrückt.
-
Beim anschließenden Aufwärtshub des Kolbens 6 gem. Fig.3 kehrt sich
die Druckänderung innerhalb des Kurbelgehäuseraumes 2 erneut um, so daß jetzt die
Ventilklappe 8 des Einlaßkanals 3 öffnet und wiederum Frischgasgemisch in den Kurbelgehäuseraum
2 eingesaugt wird. Dieser dritte Hub des Kolbens 6 ist der Ausstoßhub, bei dem das
Auslaßventil 11 geöffnet ist.
-
Der anschlieftende Aufwärtshub des Kolbens 6 gem. Fig.4 ist mit eiher
erneuten Kompression des im Kurbelgehäuseraum 2
befindlichen Frischgasgemisches
verbunden, die zur Folge hat, daß der im Überströmkanal 4 herrschende Druck erhöht
wird. Ein Zahlenbeispiel möge dies erläutern: Der Kurbelgehäuseraum 2 habe das Volumen
V1 und der Überströmkanal das Volumen V2. Im Kurbelgehäuseraum V1 herrsche der Druck
P1 und im Überströmkanal der Druck P2. Ist V1 = V2, so herrscht nach der ersten
Füllung des Überströmkanals 4 dort ein Druck P1 P2 n Durch die zweite Aufladung
des Überströmkanals, die während des in Fig.4 dargestellten Abwärtshubes des Kolbens
6 eintritt, besteht zunächst zwischen dem Kurbelgehäuseraum 2 und dem Überströmkanal
4 eine Druckdifferenz P1 D ' P1 ~ Diese Druckdifferenz gleicht sich, unter der Voraussetzung
gleicher Volumina V1 und V2, während des Überströmvorgangs, wiederum auf etwa den
halben Wert aus, so daß gegen Ende des Abwärtshubes des Kolbens 6 sowohl im Kurbelgehäuseraum
2 als auch im Überströmkanal 4 ein Druck von etwa 3 T P1 herrscht. Um diesen Druckaufbau
so weit wie nur möglich zu erreichen, wird das Einlaßventil 12 erfindungsgemäß so
gesteuert, daß es erst etwa 20-30° vor dem unteren Totpunkt UT öffnet, zu einem
Zeitpunkt also, zu dem der Kolben 6 den größten Teil seiner Kompressionsarbeit im
Kurbelgehäuseraum geleistet hat und der Überströmkanal 4 auf den größtmöglichen
Innendruck gebracht worden ist.
-
Wenn jetzt das Einlaßventil 12 öffnet, strömt das Frischgasgemisch
aus dem Überströmkanal 4 mit besonders hoher Geschwindigkeit in den Zylinderraum
13, weil sich dort, zufolge des Abwärtshubes des Zylinders 6, ein entsprechender
Unterdruck gebildet hat. Dieses verstärkte Druckgefälle
gewährleistet
eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in der Öffnung des Einlaßventils 12 und mithin
eine vollständige Füllung des Zylinderraumes 13, deren Grad höher ist als bei herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschinen.
-
Für die Erfindung ist mithin wesentlich, daß die zweite Aufladung
des Überströmkanals 4 während des Ansaughubes des Kolbens 6 möglichst lange aufrechterhalten
wird und daß das Einlaßventil 12 erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt geöffnet
wird, sc daß sich die erhöhte Kompression im Überströmkanal 4 voll für die Aufladung
des Zylinders 7 auswirken kann.
-
Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele für vorteilhafte Ausbildungen
der Ventile, die den Einlaßkanal 3 und den Überströmkanal 4 während der entsprechenden
Arbeitsphasen des Kolbens 6 verschließen bzw. öffnen, erläutert.
-
So ist in dem Ausführungsbeispiel gem. Fig.5 eine Scharnierklappe
14 in der Durchtrittsöffnung des Einlaßkanals 15 angeordnet und auch der Überströmkanal
16 ist durch eine Ventilklappe 17 verschließbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist
ein gemeinsamer Steuerkanal 18 vorgesehen, in den sowohl der Einlaßkanal 15 als
auch der Überströmkanal 16 münden. Die Ventilklappen 14 u.17 sind zweckmäßig federbelastet.
In Fig.5 wurden die Strömungslinien für das eintretende Frischgasgemisch beim Aufwärtshub
des Kolbens 6 eingezeichnet.
-
In Fig.6 ist ein senkrecht zur Kurbelwangenebene gelegter Schnitt
durch den die oberströmkanäle 16 enthaltenden Teil des Motorgehäuses dargestellt.
Danach erstrecken sich die Überströmkanäle 16, ausgehend von dem gemeinsamen Steuerkanal
18, symmetrisch leicht geschwungen bis zu dem Einlaßkanal 5.
-
Fig.7 zeigt wiederum einen schematisch dargestellten Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, dessen Kolben 6 im Aufwärtshub
begriffen ist und mithin durch den Einlaßkanal 3 ein Frischgasgemisch ansaugt, dessen
Strömungslinien eingezeichnet sind. In der Austrittsöffnung des Einlaßkanals 3 sitzt
die Ventilklappe 19, die einmal in der geschlossenen und zum anderen in der geöffneten
Stellung dargestellt ist.
-
Die Fig.8 u.9 zeigen ebenfalls schematisch dargestellte Längsschnitte
durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, der im Kurbelgehäuse mit einer
Plattendrehschieber-Einlaßsteuerung arbeitet. Der Überströmkanal 20 ist durch eine
Ventilklappe 21 aus elastischem Material, beispielsweise PVC, abgeschlossen (s.Fig.8),
die auf einer Seite mit der Wandung des Überströmkanals 20 beispielsweise durch
Verkleben verbunden ist. Während des in Fig.8 dargestellten Aufwärtshubes des Kolbens
6 verschließt diese Vcntilklappe 21 den Überströnkanal 20, während sie denselben
gem. Fig.9, die den Abwärtshub zeigt, freigibt, so daß das Frischgasgemisch entsprechend
den Pfeilen 22 in den Überströnkanal 20 eintreten kann. Unmittelbar hinter dem Ende
der Ventilklappe 21 tritt ein TeilrUckstrom des Frischgas gemisches auf, der zur
Folge hat, daß diese Ventilklappe 21 sofort geschlossen wird, wenn im Kurbelgehäuseraum
2 ein Druckrichtungswechsel stattfindet.
-
Gen, Fig.8 wird die Ansaugkanalöffnung 34 nicht von der Drenschiebersteuerplatte
35 abgedeckt. Di e Die Ansaugkanalöffnung 34 liegt vielmehr im Bereich der Steueröffnung
der Plattendrehschieber-Steuerungseinrichtung.
-
Dagegen ist gem. Fig.9 die Ansaugkanalöffnung 34 durch die Drehschiebersteuerplatte
35 vollstindig abgedeckt.
-
Dieser Zustand dauert jeweils 1800 Kurbeldrehwinkel an.
-
Der Kolben 6 hat in seinem unteren Rand bereits Steueröffnungen 36
u.37, die in der unteren Kolbenlage, in der der Kolben sonst die Ansaugkanalöffnung
34 und die oberdruckkanalöffnung 38 abdecken würde, dieses Abdecken verhindern.
-
Aus Fig.10, die einen zur Fig.6 senkrechten, schematisch dargestellten
Schnitt wiedergibt, ist ersichtlich, daß auch zwei parallel arbeitende Überströmkanäle
20 vorgesehen sein können, in deren Öffnung zum Kurbelwellengehäuse elastische Ventilklappen
21 sitzen. Der Strömungsverlauf des Frischgases ist auch in dieser Figur durch Pfeile
wiedergegeben. Größe und Richtung des Verlaufs der Überströmkanäle 20 ist den jeweiligen
örtlichen Verhältnissen innerhalb eines Verbrennungsmotors anzupassen.
-
Die Fig.ll gibt den senkrecht zur Kurbelwangenebene verlaufenden Querschnitt
durch das Beispiel gem. Fig.13 eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors wieder.
In diesem Falle sind die Kurbelwangen als Kreisscheiben 23 u.24 ausgebildet, deren
Form aus den Fig. 11 u.13 ersichtlich ist.
-
Jede Kreisscheibe trägt auf ihrem Umfang bis zur Hälfte desselben
(1800) eine durchgehende Laufnut 25, in die jeweils eine Rolle 26 eingreift, auf
der wiederum ein verschiebbarer Stößel 27 sitzt. In die obere Lagermulde jedes Stößels
27 greift eine Stößelstange 28 ein, deren oberes Ende gem. den Fig.12 u.13 an einem
Pendelarm 29 bzw. 30 angelenkt ist.
-
Auf der Pendellagerachse 32 der Pendelarme 29 bzw. 30 sitzt jeweils
eine Ventilklappe 31 (s.Fig.ll), die, je nach Stellung der Pendelarme 29 bzw. 30,
die Öffnung des Einlaßkanals 15 entweder freigibt oder verschließt. Gem. der Fig.12
ist der Einlaßkanal 15 freigegeben worden, da der Kolben 6 seinen Aufwärtshub durchführt.
-
Gem. Fig.13 ist der Einlaßkanal 15 noch geschlossen, und
der
Kolben 6 befindet sich im unteren Totpunkt. In dieser Stellung beginnt die Hubrolle
26, auf den erhöhten Teil der Steuernut 25 aufzulaufen, so daß das Öffnen der Ventilklappe
des Einlaßkanals 15 unmittelbar danach beginnt.
-
Die Besonderheit des Ausführungsbeispiels gem. den Fig.ll u.13 besteht
darin, daß dort zwei Stößelstangen 28 an den Pendelarm 30 angreifen, deren gegenläufige
Pendelbewegungen auf die gemeinsame Pendel achse Ubertragen werden.
-
Die zugehörigen Steuernuten 25 auf den beiden Kreisscheiben 23 u.24
um 1800 sind gegeneinander versetzt, so daß immer eine der beiden Stößelstangen
28 den Pendelarm 30 entweder in die Offenlage oder die Schließlage der Ventilklappe
31 schwenkt. Damit ist eine absolut spielfreie und kurbelwinkelgetreue Zwangssteuerung
der Ventilklappe 31 des Einlaßkanals 15 verwirklicht.
-
Das Ausführungsbeispiel in Fig.12 arbeitet, wie bereits erwähnt, mit
nur einem federbelasteten Stößel 27 und einer Stößelstange 28, die die Ventilklappe
33 während jeweils 1800 Kurbelwinkel schließt und danach während der nächsten 1800
Kurbelwinkel offenhält. Auch dadurch ist eine fortlaufende Zwangssteuerung der dem
Einlaßkanal 15 zugeordneten Ventilklappe 33 gewährleistet.
-
In Fig.14 ist eine weitere Variante der Zwangssteuerung der Ansaugventilklappe
19 dargestellt, die folgendermaßen arbeitet: Wenn der Kolben 6 den Abwärtshub (Radstellung)
durchführt, befindet sich der Schleppstößel 29 in der untersten Stellun g, so daß
die Ventilklappe 19 geschlossen ist. Das Frischgasgemisch strömt in diesem Steuer
zustand in den oberströmkanal, wenn die kreisscheibenförmige Kurbelwange 23 weitergedreht
worden ist und die Gleitnocke 46 des Schleppstößels 39 auf den erhöhten Umfang der
Kurbelwange 23 gelangt, wird die Ansaugventilklappe 19 geöffnet und es tritt Frischgasgemisch
in den Kurbelgehäuseraum 2.
-
Das Ausführungsbeispiel gem. den Fig.15, 15a u.15b zeigt die Anordnung
eines besonderen vierflügeligen elastischen Ventils im Eingang des Überströmkanals
16. Dieses elastische Ventil 41 ist in Fig.15 geöffnet, und es findet die Aufladung
statt. Fig.15b zeigt das elastische Ventil 41 in dieser offenen Stellung, während
Fig.15a das elastische Ventil 41 in der geschlossenen Stellung zeigt.
-
Der Motor saugt gem. Fig.15 durch die seitliche Ansaugkanalöffnung
34 Frischgas an, di in der dargestellten Lage durch die Drehschiebersteuerungsplatte
35 freigegeben ist.
-
Das Frischgas strömt gem. den eingezeichneten Pfeilen in das Kurbelgehäuse
2 und wird während des Ladeaktes in den Überströmkanal 16 gedrückt.
-
Gem. Fig.16 haben sowohl der Überströmkanal 16 als auch der Ansaugkanal
15 vierflügelige elastische Ventile 42 u.43. Die Öffnungen des Ansaugkanals und
des Überströmkanals liegen einander gegenüber.
-
Fig.l6a zeigt eines der Ventile 42 bzw.43 in der geöffneten und Fig.
l6b in der geschlossenen Stellung, wie sie bei Draufsicht zu erkennen ist. Es ist
hier nur ein Ansaug-und ein Überströmkanal vorgesehen. Dies erlaubt die Anordnung
des Überströmkanals 16 mit dem Einlaßventil 43 in Fahrtrichtung vor dem Zylinder.
-
Der Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor nach Fig.
17 stellt die Strömungsrichtung verschiedener Gaswechselvorgänge dar. Dabei geben
die Pfeile 44 einen Strömungsverlauf wieder, wie er auch in Fig.14 dargestellt ist.
Das Frischgasgemisch tritt danach durch den Ansaugkanal 15 ein, wird im Kurbelgehäuse
2 umgelenkt und tritt dann in den Überströmkanal 16.
-
Die Pfeile 45 geben den Strömungsverlauf des Frischgasgemisches
gem.
Fig.15 wieder. Das Frischgasgemisch strömt dabei einmal aus dem Ansaugkanal 15 durch
das Kurbelgehäuse 2 in den in Fig.17 unten liegenden Überströmkanal 16 und zum anderen
in den in Fig.17 oben liegenden Überströmkanal 16.
-
Die Pfeile 46 schließlich geben den Strömungsverlauf des Frischgasgemisches
gem. Fig.16 wieder. Das Frischgasgemisch strömt dabei aus dem Ansaugkanal 15 durch
das Kurbelgehäuse 2 in den Überströmkanal 16.
-
Im oberen Teil der Fig.18 ist der Strömungsverlauf des Frischgasgemisches
bei übereinanderliegendem Ausgangskanal 15 und Überströmkanal 16 wiedergegeben.
Dabei zeigt der linke Schnitt den Ansaugtakt und der rechte den Überströmtakt.
-
Im mittleren Teil und unteren Teil der Fig.18 sind zwei Ventilklappen
schematisch dargestellt, und zwar linkerhand eine zweilwügelige 47 und rechterhand
eine vierflügelige Ventilklappe 48, jeweils in Draufsicht, Vorderansicht und Seitenansicht,
einmal in der geschlossenen Stellung (mittlerer Teil) und der geöffneten Stellung
(unterer Teil). Der Strömungskanal 49 dieser Ventilklappen 47 bzw.48 wird durch
den Dichtungssteg 50 bzw.51 unterteilt, an den sich im geschlossenen Zustand die
Federmembranen 52 legen.