Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungskraftmaschinen mit Zylindern nicht-kreisförmigen Quer-Schnitts.
Es sind Maschinen entwickelt worden, welche Zylinder mit nicht-kreisförmigem Querschnitt besitzen. Derartige
Maschinen, welche einen länglichen Querschnitt besitzen, können die Einlaß- und Auslaßöffnungsflächen relativ
zur Querschnittsfläche des Zylinders gegenüber denjenigen bei Zylindern mit kreisförmigem Querschnitt vergrößern.
Für derartige Maschinen sind Ventileinrichtungen zur Vergrößerung des Ansaugwirkungsgrades entwickelt worden.
Eine derartige Maschine ist in der US-PS 4 256 068 beschrieben.
Derartige bekannte Verbrennungskraftmaschinen, deren Zylinder keinen kreisförmigen Querschnitt besitzen,
sind gemäß den in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Formen
entwickelt worden. Fig. 1 zeigt einen Zylinder H mit zwei halbkreisförmigen Abschnitten, die durch zwei
gerade Segmente verbunden sind. Die halbkreisförmigen Abschnitte besitzen einen Radius r, während sich die
geraden Teile zwischen Punkten P1 erstrecken . Fig. 2
zeigt eine weitere Asuführungsform eines Zylinders H mit kreisförmigen Segmenten S1 kürzeren Radius r1 und
kreisförmigen Segmenten S- längeren Radius r~. Die Segmente
sind in Pukten P„ miteinander verbunden. Aus definiert unterschiedlich gekrümmten Segmenten konstruierte
Maschinenzylinder gemäß den Fig. 1 und 2 führen zu Punkten mit einer Krümmungsdiskontinuität, wie
dies in den Punkten P1 und P„ der Fall ist. Mit derartigen
Diskontinuitäten vermag ein Schneidwerkzeug zur Bildung der Oberflächen derartiger Zylinder diese Punkte
nicht glatt zu überlaufen. Daher ist eine große Genauigkeit nicht erreichbar und es ist zur Bearbeitung des
Zylinders eine sehr große Zeit erforderlich, wobei das Schneidwerkzeug sehr früh abgenutzt wird. Eine Massenherstellung
wird daher schwierig, obwohl Maschinen mit den Zylinderformen nach den Fig. 1 und 2 einen verbesserten
Gasströmungswirkungsgrad besitzen und mit relativ einfachen Herstellungstechniken hergestellt werden können.
Ein weiterer für Zylinder mit nicht-kreisförmigem Querschnitt in Betracht gezogener Zylinder H ist in Fig. 3
dargestellt. Dieser Zylinder besitzt eine echte elliptische Form und eignet sich besser für eine Massenproduktion.
Da keine Krümmungsdiskontinuität vorhanden ist, sind eine große Genauigkeit, eine reduzierte Bearbeitungszeit
und eine längere Schneidwerkzeug-Lebensdauer realisierbar. Eine derartige echte Ellipse führt jedoch zu
Flächen D an jedem Zylinderende, welche im Vergleich zum Mittelteil des Zylinders wesentlich verengt sind. In diesen
Flächenbereichen treten Totzonen auf, da hier kein ausreichender Raum für eine Ventilanbringung vorhanden
sind. Darüber hinaus sind die Endbereiche des Zylinders stark gekrümmt, so daß es schwierig wird, einen Ring herzustellen
und ihn auf einem in diese Bereiche eingepaßten Kolben anzubringen.
Kolbenringe für derartige Zylinder mit nicht-kreisförmigem Querschnitt sind ebenfalls entwickelt worden. Ein derartiger
Ringtyp ist der "Expansionstyp", der durch eine zwischen den Kolben und den Kolbenring eingepaßte Ein-Richtung
nach außen gegen di Zylinderwand gedrückt wird. Eine derartige Einrichtung ist in der US-PS 4 362 135
beschrieben. Ein weiterer Kolbenringtyp für derartige Zylinder ist der selbstspannende Typ, welcher durch seine
eigene Biegefestigkeit gegen die Zylinderwand gedrückt wird, wobei der Ring in seinem gelösten Zustand größer
als der Zylinder ist, in den er gedrückt wird. Ein der-
artiger Ring für einen nicht-kreisförmigen Zylinder ist in der US-PS 4 198 065 beschrieben. Der selbstspannende
Kolbenringtyp wird in größerem Umfang benutzt und ist vorteilhafter im Hinblick auf bessere Dichtungsqualität
und Kosten.
Wie bereits ausgeführt, ergeben sich bestimmte Probleme bei der Herstellung und beim Einbau von Kolbenringen auf
Kolben zur Anpassung an nicht-kreisförmige Zylinder.
Mit den Zylinder-Querschnittsformen nach den Fig. 1 und kann die abrupte oder diskontinuierliche Krümmungsänderung
in den Punkten P- und P~, welche auch für den
Kolbenring erforderlich ist, zu Spannungskonzentrationen führen. Die Herstellung von Ringen mit derartigen Krümmungen
kann auch schwierig sein, wobei gerade Abschnitte im gelösten Zustand vorzugsweise nach innen gekrümmte
Konfigurationen besitzen, um Biegelasten beim Einsetzen in den Zylinder zu vermeiden. Die Einhaltung der Genauigkeit
bei der Herstellung derartig komplexer Kurven wird schwierig.
Die Herstellung und der Zusammenbau von Komponenten für Maschinen mit nicht-kreisförmigen Zylindern gemäß den
Fig. 1 und 2 kann daher schwierig sein. Die Konfiguration nach Fig. 3 vermeidet bestimmte Herstellungsprobleme,
die sich bei den Konfigurationen nach den Fig. 1 und 2 ergeben. Der Ringzusammenbau kann jedoch dabei schwierig
sein, wobei Totzonen an den engen Enden des elliptischen Zylinders auftreten können.
Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile ist gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Verbrennungskraftmaschine
die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 10 auf.
Schließlich weist eine Verbrennungskraftmaschine gemäß
einem weiteren Aspekt der Erfindung die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 14 auf.
Entsprechende Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren 4 bis 16 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 4 eine schematische ebene Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem
Zylinder nicht-kreisförmigen Querschnitts;
Fig. 5 einen Schnitt in einer Ebene V-V in Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt in einer Ebene VI-VI in Fig. 4;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform; Fig. 8 einen Schnitt in einer Ebene VIII-VIII in Fig. 7; Fig. 9 einen Schnitt in einer Ebene IX-IX in Fig. 7;
Fig. 10 eine schematische ebene Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 11 einen Schnitt in einer Ebene XI-XI in Fig. 1.;
Fig. 12 eine ebene Ansicht eines Kolbenrings, der im
komprimierten Zustand ausgezogen und im ge
lösten Zustand gestrichelt dargestellt und in
den Ausführungsformen nach den Fig. 4, 7 und
verwendbar ist;
Fig. 13 die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Zylinders
und ein entsprechendes Diagramm des Krüm
mungsradius als Funktion der Axialposition längs der Hauptachse des Zylinderquerschnittes;
Fig. 14 eine vierte Ausführungsform eines Zylinders mit
nicht-kreisförmigem Querschnitt gemäß der Erfin
dung und dessen Krümmungsradiusprofil als Funktion
der Axialposition längs der Hauptachse des Zylinderquerschnittes;
Fig. 15 den Achsenzusammenhang im bezeichneten Sinn; und
Fig. 16 ein Diagramm des Zusammenhangs dieser Achsen im
bezeichneten Sinn.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Die Maschine besitzt einen Zylinderkopf
1 und einen Zylinderkörper 2. Der Zylinderkörper 2 enthält einen Zylinder 3. Dieser Zylinder 3 besitzt gemäß
Fig. 4 einen kontinuierlich gekrümmten symmetrischen ovalen Querschnitt mit einer Hauptsymmetrieachse in
einer Linie L1 und einer Nebensymmetrieachse in einer
Linie L-. Der Zylinderkopf 1 verschließt ein Ende des Zylinders und ist am Zylinderkörper 2 befestigt. Der
Zylinderkopf 1 besitzt eine Oberseite 4, welche einen Teil einer Verbrennungskammer definiert. Zwei Ansaugdurchlässe
5 führen eine ankommende Mischung in die Verbrennungskammer während zwei Abgasdurchlässe 6 auf der
anderen Seite Abgas direkt aus der Verbrennungskammer abführen. Die Ansaugdurchlässe 5 sowie die Abgasdurchlässe
6 sind gegabelt, so daß sie zu getrennten Öffnungen
führen. Größere Ansaugöffnungen 7 sind nahe der Nebensymmetrieachse
L_ auf einer Seite der Hauptsymmetrieachse L1 angeordnet. Kleinere Ansaugöffnungen 8 sind weiter
entfernt von der Nebensymmetrieachse L- und näher zur Hauptsymmetrieachse L1 angeordnet als die größeren Ansaugöffnungen
7. Entsprechend sind Abgasöffnungen 9 und 10 vorgesehen. Die Abgasöffnungen 9 sind größer als die
Abgasöffnungen 10 und liegen näher an der Nebensymmetrieachse L_ und weiter entfernt von der Hauptsymmetrieachse
L1. Zwei Zündkerzenöffnungen 11 sind längs der Hauptsymmetrieachse
L1 im Abstand voneinander vorgesehen.
Ein Kolben 12 ist an den kontinuierlich gekrümmten symmetrischen
Querschnitt des Zylinders 3 angepaßt. Kolbenringe und Ölringe 13 bilden eine Dichtung zwischen dem
Kolben 12 und der umgebenden Wand des Zylinders 3. Der Kolben führt im Zylinder 3 eine erzwungene Hin- und Herbewegung
aus und ist mittels eines Gelenkstabes 14 mit Doppelverbindungsstangen 15 verbunden.
Der Strom durch die Ansaugdurchlässe 5 von Vergasern 16
wird an den Ansaugöffnungen 7 und 8 mittels Ansaugventilen 17 und 18 gesteuert. Bei dieser ersten Ausführungsform sind die Ansaugventile 17 und 18 wechselweitig
schräg angeordnet, um besser an die gekrümmte Oberseite 4 des Zylinderkopfs 1 angepaßt zu sein. Entsprechend
steuern die Abgasventile 19 und 20 die Abgasöffnungen
9 und 10, um Abgase durch die Abgasdurchlässe 6 zu einem nicht dargestellten Auspuffsystem zu führen. Die
Anordnung der Öffnungen 7 bis 10 stellt eine vorteilhafte Ausnutzung der Zylinderkonfiguration dar. Die
kleineren Öffnungen 8 und 10 können näher aneinander und
damit näher den engeren Enden des Zylinderquerschnitts angeordnet werden. Ihre Anordnung näher an der Haupt-Symmetrieachse
L1 des Zylinderquerschntites macht auch ihre Anordnung in mehr äußeren Stellungen möglich. Unter
bestimmten Bedingungen kann es vorteilhaft sein, lediglich die zentralen Öffnungen 7 und 9 vorzusehen. Zur Abschaltung
von Ventilen unter bestimmten Betriebsbedingungen sind bestimmte Mechanismen entwickelt worden. Die An-
5 Ordnung der Zündkerzen 11 reduziert die Lange des Flammweges bei Zündung und verhindert eine Wechselwirkung mit
den Ventilen und der Ventilöffnungsfläche.
Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt einen nichtkreisförmigen
Zylinder mit vier Ansaugventilen auf einer Seite der Hauptsymmetrieachse des Zylinderquerschnittes
und vier Abgasventilen auf der anderen Seite dieser Achse dar. Die Ventile sind relativ zur Nebensymmetrieachse
des Zylinderquerschnittes symmetrisch angeordnet. Es können jedoch auch andere Anzahlen oder Anordnungen von Ansaugventilen
verwendet werden. Beispielsweise kann ein weiteres Ansaugventil zur Verbesserung der Ansaugwirkung
auf der Nebensymmetrieachse vorgesehen sein. Bei weiteren Konfigurationen kann eine dritte zentral im
Querschnitt angeordnete Zündkerze vorgesehen sein.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 9 dargestellt. Identische oder äquivalente
Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Vergleich zur Ausführungsform besteht eine prinzipielle
Änderung hinsichtlich der Größe und der Orientierung von Ansaugöffnungen 21 und Abgasöffnungen 22. Beide Sätze
von Öffnungen sind bei dieser Ausführungsform längs geraden
Linien parallel zur Hauptsymmetrieachse L1 des
Zylinderquerschnittes angeordnet. Die Öffnungen 21 besitzen ebenso wie die Öffnungen 22 alle die gleiche
Größe. Gemäß der Größe und der Orientierung der Öffnungen 21 und 22 sind Ansaugventile 23 ebenso wie Abgasventile
24 parallel zueinander angeordnet.
-χ- Α%
Eine dritte Ausfiihrungsform ist in den Fig. 10 und 11
dargestellt. Auch hier sind identische oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 11
zeigt die Orientierung der Ventile, wobei jedes Ansaugventil und jedes Absaugventil 26 einer entsprechenden
Ansaugnockenwelle 27 bzw. einer Abgasnockenwelle 28 zugekehrt ist. Auf diese Weise können die Ventile 25
und 26 direkt durch diese Nockenwellen angetrieben werden. Gemäß Fig. 10 sind die Ventile 25 und 26 an den
äußeren Enden des Zylinders näher an der Hauptsymmetrieachse des Zylinders als die inneren Ventile angeordnet.
Ein in Fig. 12 dargestellter Kolbenring kann für die Zylinder und Kolben gemäß den Fig. 4 bis 11 verwendet
werden. Dieser Kolbenring 23 besitzt eine Durchbrechung an einem Ende. In der freien, gestrichelt dargestellten
Konfiguration des Kolbenrings ist dieser ohne Umkehr seiner Krümmung in irgendeinem Punkt kontinuierlich gekrümmt.
Nach außen gerichtete Normallinien 29 schneiden sich daher nicht. In seinem komprimierten Zustand ist
der Ring 13 ausgezogen dargestellt.
Die Konstruktion des Zylinders mit einem kontinuierlich gekrümmten symmetrischen ovalen Querschnitt ist aus
Fig. 13 ersichtlich. Die die Zylinderwand definierende Kurve wird in einem vorgegebenen konstanten normal nach
außen gerichteten Abstand von einer geschlossenen Kurve erzeugt. Diese geschlossene Kurve ist in Fig. 13 mit X
bezeichnet, wobei der gekrümmte Zylinder durch die Senkrechte auf dieser Kurve erzeugt wird. Diese Senkrechte
kann als der geometrische Ort von äußeren Punkten verstanden werden, die durch einen Kreis mit einem gegebenen
Radius r definiert sind, wobei sich dieser Kreis auf der geschlossenen Kurve X bewegt. Die Kurve X verläuft
symmetrisch um die Hauptsymmetrieachse des Zylinderquerschnittes zwischen zwei beabstandeten Punkten C1 und C-.
Die Kurve X ist von der Hauptachse zwischen diesen Punkten auf beiden Seiten dieser Hauptachse nach außen gekrümmt.
Gemäß der Kurve nach Fig. 13, die den Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius und dem Ort auf der Hauptachse
zeigt, ist die Krümmung um den gesamten Zylinderquerschnitt kontinuierlich. Die Kurve X ist im Hinblick auf
dieses Ergebnis gewählt.
Wird als geschlossene Kurve X eine Ellipsenform gewählt, so resultiert eine sich kontinuierlich ändernde Krümmung
ohne Diskontinuitäten. Die Natur der zur Erzeugung der Kurve des Zylinders verwendeten geschlossenen Kurve
X legt den Weg fest, dem ein Schneidwerkzeug mit einem Radius r folgen muß, um die Zylinderwand zu schneiden.
Besitzt die geschlossene Kurve X Ellipsenform, so braucht das Schneidwerkzeug keine diskontinuierlichen Bewegungen
auszuführen. Dies erleichtert die Bearbeitung, reduziert die Maschinenzeit und erhöht die Lebensdauer des Schneidwerkzeuges
sowie die Genauigkeit. Die resultierende Krümmung des Zylinders, des zugehörigen Kolbens sowie
der zugehörigen Kolbenringe verhindert auch Punkte großer Spannung sowie Konzentrationen thermischer Spannungen
an Diskontinuitäten. Die Anwendung dieser Technik bei der Herstellung der Zylinderkonfiguration führt zu
verbreiterten Endteilen, welche bei einem Zylinder mit elliptischer Form nicht vorhanden sind. Die Ansaug- und
Abgasöffnungen können daher tief in den engeren Teilen des Zylinders angeordnet werden, um Toträume zu vermeiden.
Zur Definition der zylindrischen Wand kann eine Vielzahl von Kurven gewählt werden. Fig. 14 zeigt eine andere durch
die gleichen Mittel erzeugte Zylinderanordnung. Trotz großer in diesen Kurven vorhandenen Steigungen bleiben
sie kontinuierlich. Diese Steigungen reflektieren die sehr steilen Kurven in der Nähe von Punkten C1 und C_
auf der Kurve X, wo der Übergang zu geraderen Abschnitten
stattfindet. Je steiler die Kurve ist, um so schwieriger ist es natürlich für das Schneidwerkzeug, der Kurve X
zum Schneiden des Zylinders zu folgen. Eine Ellipsenform, welche ebenfalls für die Kurve X gewählt werden
kann, führt typischerweise zu graduelleren Anstiegen auf derartigen Kurven, was zu einer weniger abrupten
Schneidwirkung bei der Herstellung des zugehörigen Zylinders führt.
Die Fig. 15 und 16 zeigen die speziellen Charakteristiken von Zylindern gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführugnsformen
unter der Annahme, daß die Durchmesser der Ansaug- und Abgasauslässe h gemäß Fig. 13 18 mm und
der Radius r des generierenden Kreises 20 mm beträgt und die Querschnittsfläche des Zylinders fest ist. Fig.
zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis des längeren Durchmessers A zum kürzeren Durchmesser B der
Zylinderkurve und des Abstands zwischen den Mittelpunkten der entferntesten Öffnungen entweder der Ansaug-Öffnungen
oder Abgasöffnungen h, wenn die Ansaug- und Abgasöffnungen gemäß Fig. 7 angeordnet sind. Unter der
Annahme von vier Ansaugöffnungen und vier Abgasöffnungen mit einem Durchmesser von 18 mm muß ein Abstand 1 gemäß
Fig. 13 zwischen den Mittelpunkten der Öffnungen mindestens 54 mm betragen. In diesem Falle wird das Verhältnis
A/B gemäß Fig. 15 größer als 1,6. Fig. 16
zeigt den Zusammenhang des vorgenannten Verhältnisses A/B und des Verhältnis des langen Durchmessers a und
des kurzen Durchmessers b der geschlossenen Kurve X.
Gemäß Fig. 16 überschreitet das Verhältnis A/B für jeden Wert des Verhältnisses a/b niemals den Wert
2,3. Aus den Fig. 15 und 16 ist daher ersichtlich, daß das Verhältnis A/B bei den vorgenannten Annahmen und
Öffnungen des vorgenannten Zusammenhangs größer oder gleich 1,6 und kleiner oder gleich 2,3 ist. Bevorzugte
Zusammenhänge von Komponenten erfüllen daher Vorzugs-
1 weise die vorgenaift#nen Grenzen.
Die beschriebenen Zylinder mit nicht-kreisförmigen Querschnitten können in Massenproduktion hergestellt werden,
5 vermeiden Totzonen in der Brennkammer im Bereich der Enden langgestreckter Zylinder und gewährleisten verbesserte
Ventil- und Kolbenringkonfigurationen.