DE69612254T2

DE69612254T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69612254T2
Application number: DE69612254T
Authority: DE
Inventors: Louis Szuba
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: CA2186548A1; DE69612254D1; MX9604534A; AU711150B2; US5596955A; CA2186548C; KR100443153B1; AU6795696A; EP0767294B1; JPH09209725A; EP0767294A1; KR970021677A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Technik zum Steuern des Ansaugens und Ausstoßens eines brennbaren Kraftstoff/Luft-Gemisches bei einem Viertakt- Verbrennungsmotor.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bei einem herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor ist ein Arbeitskolben hin- und herbeweglich in einem Zylinder angeordnet. Das obere Ende des Zylinders wird durch einen Zylinderkopf verschlossen, der wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil trägt. Wenn das Einlaßventil geöffnet wird und der Arbeitskolben in dem Zylinder nach unten bewegt wird, wird ein brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Zylinder gezogen. Nach der Verbrennung kann das Auslaßventil geöffnet werden (während das Einlaßventil geschlossen bleibt) und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das verbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Brennraum ausgestoßen.
Die obige Konstruktion wird seit Jahren erfolgreich bei Viertakt-Verbrennungsmotoren verwendet. Leider gibt es schwerwiegende Nachteile im Zusammenhang mit der Verwendung von Einlaß- und Auslaßventilen zur Steuerung des Stroms von Gasen in und aus dem Brennraum. Im vorliegenden Zusammenhang steht das Wort "Ventile" für Tellerventile, sofern es im Kontext nicht anders angegeben ist. Die Nachteile von Einlaß- und Auslaßventilen sind wohlbekannt und werden nur kurz beschrieben. Ein häufiges Problem in Verbindung mit Ventilen, insbesondere in Verbindung mit Auslaßventilen, ist ihre Beständigkeit gegen die Wärme der um sie herumströmenden Gase. Die heißen Gase können zu einem raschen Verschleiß der Ventile führen und in extremen Fällen diese soweit beschädigen, daß sie nicht mehr repariert werden können. Die Ventile müssen aus relativ teuren Materialien hergestellt werden, und sie müssen besonders maßgenau hergestellt werden, um zum geeigneten Zeitpunkt einen gasdichten Verschluß zu bewirken. Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Einlaß- und Auslaßventilen besteht darin, daß sich ihre Fähigkeit zur Herstellung eines fluiddichten Verschlusses je nach der Temperatur der Ventile und der sie umgebenden Bauteile des Motors verändern kann. Noch ein weiteres Problem ist das Geräusch, das die Ventile machen können, wenn sie während des Betriebs des Motors rasch geöffnet und geschlossen werden. Bei höheren Motordrehzahlen kann die Trägheit der Ventile bewirken, daß sie "Spiel haben" bzw. nicht vollständig schließen, wodurch die Motorleistung vermindert wird und es möglicherweise zu einer katastrophalen Beschädigung des Motors kommt.
Es sind verschiedene Techniken bekannt, wo bei Verbrennungsmotoren keine Einlaß- und Auslaßventile verwendet werden müssen, doch erfordern diese Anordnungen eine extreme Modifikation des Motors selbst. Bei einem Zweitaktmotor wird beispielsweise ein hin- und hergehender Arbeitskolben verwendet, ohne daß Einlaß- oder Auslaßventile notwendig sind. Die Einlaß- und Auslaßventile werden durch in dem Arbeitszylinder ausgebildete Kanäle ersetzt. Bei derartigen Motoren wird der Brennraum durch einen Zylinderkopf verschlossen, der nur eine Öffnung für eine Zündkerze enthält. Zweitaktmotoren funktionieren zwar gut, sind aber laut, ineffizient und verantwortlich für übermäßige Verschmutzung. So werden sie nur für Anwendungen verwendet, wo kleine, kostengünstige Motoren erforderlich sind, wie zum Beispiel bei Kettensägen, Gebläsen zum Entfernen von Laub, Rasenmähern und dergleichen.
Ein weiterer ventilloser Verbrennungsmotor ist der Wankelmotor. Bei einem Wankelmotor bewegt sich ein dreieckiger Kolben exzentrisch in einer schmalen Kammer. Die Enden des Kolbens greifen an den Wänden der Kammer an, so daß während der Bewegung des Kolbens durch die Kammer Bereiche mit Unterdruck bzw. mit Überdruck sowie ein Brennraum entstehen. Eine solche Konstruktion wurde zwar mit Erfolg eingesetzt, doch sind Wankelmotoren immer ineffizient im Kraftstoffverbrauch und verantwortlich für übermäßige Verschmutzung. Diese Merkmale sind ähnlich wie bei den Zweitaktmotoren, wodurch die Brauchbarkeit von Wankelmotoren begrenzt ist.
Wünschenswerterweise würde ein Viertakt-Verbrennungsmotor zur Verfügung stehen, der eine akzeptable Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hat, ohne daß Einlaß- und Auslaßventile verwendet werden müssen. Ein solcher Motor wäre vorzugsweise ruhig im Betrieb, effizient im Kraftstoffverbrauch, verschmutzungsarm und leistungsstark.
Die FR-A-1,394,902 offenbart einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung handelt es sich um einen Verbrennungsmotor, der folgendes umfaßt:
einen ersten Zylinder;
einen ersten Kolben, der in dem ersten Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist;
eine erste Kurbelwelle, die mit dem ersten Kolben verbunden ist;
einen zweiten Zylinder, wobei der zweite Zylinder mit dem ersten Zylinder in Fluidverbindung steht;
einen zweiten Kolben, der in dem zweiten Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist;
einen Einlaßkanal, der in den zweiten Zylinder mündet, wobei der Einlaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des zweiten Kolbens abgedeckt und wieder freigelegt wird;
einen dritten Zylinder, wobei der dritte Zylinder mit dem ersten Zylinder in Fluidverbindung steht;
einen dritten Kolben, der in dem dritten Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist;
einen Auslaßkanal, der in den dritten Zylinder mündet, wobei der Auslaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des dritten Kolbens abgedeckt und wieder freigelegt wird;
eine Einrichtung zum Zünden eines durch den Einlaßkanal in den ersten Zylinder eingeleiteten Kraftstoff/Luft-Gemisches; und
eine Einrichtung zum Hin- und Herbewegen des zweiten und dritten Kolbens in Koordination mit dem ersten Kolben, um ein brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch in den ersten Zylinder zu ziehen, das Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem ersten Zylinder zu verdichten, und das verbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem ersten Zylinder auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kurbelwelle vorhanden ist, die so angeordnet ist, daß sie synchron mit der ersten Kurbelwelle angetrieben wird, und die mit dem zweiten und dritten Kolben verbunden ist.
Durch Koordinieren der Hin- und Herbewegung des Ansaug- und des Ausschubkolbens mit der Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens, und durch entsprechende Positionierung des Einlaßkanals und des Auslaßkanals in bezug auf den Ansaugkolben und den Ausschubkolben, kann ein brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum gezogen, gezündet und ausgestoßen werden. Mit der Erfindung sind keine Einlaß- und Auslaßventile mehr notwendig, und die damit verbundenen Nachteile werden ausgeschaltet. Da die Ansaug- und Ausschubkolben durch eine Kurbelwelle gesteuert werden, bewegen sie sich ruhig und gleichmäßig in ihren jeweiligen Zylindern hin und her. Neben den Vorteilen in Verbindung mit dem Weglassen der Einlaß- und Auslaßventile kann die Hin- und Herbewegung der Ansaug- und Ausschubkolben dazu verwendet werden, um den Druck in dem Brennraum zu erhöhen und den Gasdurchsatz durch den Motor zu erhöhen.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung, in der ein Arbeitskolben, ein Ansaugkolben in einer geöffneten Stellung und ein Ausschubkolben in einer geschlossenen Stellung gezeigt sind;
Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1, in der der Ansaugkolben und der Ausschubkolben in einer mittleren Position gezeigt sind;
Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1, in der der Ansaugkolben in einer geschlossenen Position und der Ausschubkolben in einer geöffneten Position gezeigt ist; und
Fig. 4A-4D sind schematische Ansichten des Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung, in denen eine bevorzugte Beziehung zwischen dem Arbeitskolben, dem Ansaugkolben und dem Ausschubkolben während des Betriebs des Motors gezeigt ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß Fig. 1-3 ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Motor 10 weist ein Kurbelgehäuse 12 auf, an dem ein Zylinder 14 befestigt ist. Gemäß der Darstellung ist der Zylinder 14 luftgekühlt, wenngleich auch eine Wasserkühlung möglich ist, und wird in vielen Anwendungen verwendet.
Ein Arbeitskolben 16 ist in dem Zylinder 14 hin- und herbeweglich angeordnet. Eine Kurbelwelle 18 mit einem Kurbelzapfen 19 ist drehbar in dem Kurbelgehäuse 12 gelagert. Der Kurbelzapfen 19 ist mittels einer Pleuelstange 20 mit dem Kolben 16 verbunden. Ein Schwungrad 22 ist an der Kurbelwelle 18 angebracht.
Ein Abstandshalter 24 ist oben auf dem Zylinder 14 angebracht, um einen Abschnitt eines Brennraums 25 zu begrenzen. Eine Zündkerze 26 ist so in eine Öffnung in dem Abstandshalter 24 eingeschraubt, daß sie in den Brennraum 25 ragt.
Ein Zylinderkopf 28 ist oben auf dem Abstandshalter 24 angebracht. Der Zylinderkopf 28 umfaßt einen Einlaßzylinder 30, in dem ein Ansaugkolben 32 hin- und herbeweglich angeordnet ist. Der Zylinderkopf 28 umfaßt außerdem einen Auslaßzylinder 34, in dem ein Ausschubkolben 36 hin- und herbeweglich angeordnet ist. Die Zylinder 30, 34 sind nebeneinander angeordnet und stehen in Fluidverbindung mit dem Brennraum 25. Die Längsachsen der Zylinder 30, 34 sind parallel zur Längsachse des Zylinders 14.
Eine Kurbelwelle 38 ist in dem Zylinderkopf 28 drehbar angeordnet. Eine Pleuelstange 40 verbindet den Ansaugkolben 32 mit dem Kurbelzapfen 41 der Kurbelwelle 38, während eine Pleuelstange 42 den Ausschubkolben 36 mit dem Kurbelzapfen 43 der Kurbelwelle 38 verbindet.
Einlaßkanäle 44 sind in der Seite des Einlaßzylinders 30 ausgebildet. Auslaßkanäle 46 sind in der Seite des Auslaßzylinders 34 ausgebildet. Eine Einlaßleitung 48 ist mit den Einlaßkanälen 44 verbunden, um dem Einlaßzylinder 30 ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zuzuführen. Ein Auspuffrohr 50 ist mit den Auslaßkanälen 46 verbunden, um Abgase von dem Auslaßzylinder 34 weiterzubefördern. Ein Schalldämpfer 52 ist in Reihe in dem Auspuffrohr 50 angeordnet.
Wie aus Fig. 1 und 3 hervorgeht, sind mehrere Einlaßkanäle 44 und mehrere Auslaßkanäle 46 dargestellt. Die Anzahl und Größe der Kanäle 44, 46 ist nur durch bauliche Erwägungen und die Möglichkeit zum Bau geeigneter Krümmer begrenzt. Die Verwendung mehrerer Kanäle 44, 46 ist ein bedeutender Vorteil gegenüber herkömmlichen Motoren mit Ventilen, weil der Luftstrom in und aus dem Motor stark erhöht werden kann.
Wie in Fig. 1-3 veranschaulicht, befinden sich die Kanäle 44, 46 in derselben vertikalen Position zueinander, und sie haben dieselbe vertikale Abmessung. Die Kanäle 44, 46 werden also durch die Kolben 32, 36 für denselben Betrag der Umdrehung der Kurbelwelle 38 abgedeckt und freigelegt. Es wird erwartet, daß sich die Kanäle 44, 46 wenigstens teilweise für eine Umdrehung der Kurbelwelle 38 von etwa 20 Grad öffnen.
Ein erstes Kettenrad 54 ist an der Kurbelwelle 18 angebracht. Ein zweites Kettenrad 56 ist an der Kurbelwelle 38 angebracht. Der Durchmesser des Kettenrades 56 ist doppelt so groß wie der des Kettenrades 54, so daß sich die Kurbelwelle 38 genau mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 18 dreht. Das Kettenrad 56 wird mit Hilfe einer Antriebskette 58 angetrieben, die um die Kettenräder 54, 56 läuft.
Anhand von Fig. 4A-4D wird nun die Funktionsweise des Motors 10 erläutert. Wenn sich die Kurbelwelle 18 im Uhrzeigersinn dreht (von links aus gesehen in Fig. 1-3), dreht sich auch die Kurbelwelle 38 im Uhrzeigersinn. Die Kurbelzapfen 41, 43 werden ungefähr 15 Grad voneinander versetzt, wobei der Kurbelzapfen 43 in Drehrichtung vorausgeht. Es wurde festgestellt, daß akzeptable Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Kurbelzapfen 41, 43 irgendwo im Bereich von 15-20 Grad voneinander versetzt werden. In der nun folgenden Beschreibung werden die Kanäle 44, 46 im unteren Totpunkt der Kolben 32, 36 freigelegt.
Wie aus einer Betrachtung von Fig. 4A sowie Fig. 1 hervorgeht, hat der Ausschubkolben 36 schon längst seinen unteren Totpunkt durchlaufen (ungefähr 100 Grad Kurbelwellenumdrehung gemessen vom unteren Totpunkt aus), wenn der Kolben 16 sich im Ansaugtakt seinem unteren Totpunkt nähert, während der Ansaugkolben 32 ebenfalls seinen unteren Totpunkt durchlaufen hat (ungefähr 80 Grad Kurbelwellenumdrehung gemessen vom unteren Totpunkt aus). Wenn also der Arbeitskolben 16 im Ansaugtakt seinen unteren Totpunkt durchläuft, bedeckt der Ansaugkolben 32 die Einlaßkanäle 44, um das weitere Ansaugen eines Kraftstoff/Luft-Gemisches zu verhindern.
Gemäß Fig. 2 und 4B wird sich der Ansaugkolben 32 ebenfalls dem oberen Totpunkt nähern (170 Grad Kurbelwellendrehung), wenn sich der Arbeitskolben 16 im Verdichtungstakt dem oberen Totpunkt nähert, während der Ausschubkolben 36 gerade seinen oberen Totpunkt durchlaufen hat (190 Grad Kurbelwellendrehung). Während eines wesentlichen Teils des Verdichtungstaktes bewegen sich der Kolben 16 und die Kolben 32, 36 aufeinander zu. Das brennbare Kraftstoff/Luft-Gemisch befindet sich in dem Brennraum 25, und beide Kanäle 44, 46 sind bedeckt. Demnach kann die Zündkerze 46 das Gemisch zünden, um den Arbeitstakt in Gang zu setzen.
Gemäß Fig. 4C nun ist der Arbeitskolben 16 im Arbeitstakt wieder am unteren Totpunkt angelangt, während der Ansaugkolben 32 den oberen Totpunkt durchlaufen hat (260 Grad Kurbelwellenumdrehung) und der Ausschubkolben 36 sich dem unteren Totpunkt nähert (280 Grad Kurbelwellenumdrehung), wo der Auslaßkanal 46 freigelegt wird. An diesem Punkt in dem Zyklus sind jedoch beide Kanäle 44, 46 bedeckt.
Gemäß Fig. 3 und 4D nun legt der Ausschubkolben 36 den Auslaßkanal 46 frei, wenn er sich seinem unteren Totpunkt nähert, und der Arbeitskolben 16 setzt seine Aufwärtsbewegung fort, um verbrannte Gase auszustoßen. Wenn der Kolben 16 wieder seinen oberen Totpunkt erreicht, nähert sich der Ansaugkolben 32 seinem unteren Totpunkt (350 Grad Umdrehung, wo der Einlaßkanal 44 kurz freigelegt wird), während der Ausschubkolben 36 gerade seinen unteren Totpunkt durchlaufen hat (10 Grad Kurbelwellenumdrehung), wodurch der Auslaßkanal 46 abgedeckt und das weitere Ausstoßen von Gasen durch den Auslaßkanal 46 verhindert wird.
Indem die Kolben 32, 36 mit einer Kurbelwelle angetrieben werden, bewegen sich die Kolben 32, 36 gleichmäßig, ruhig und kraftvoll in ihren jeweiligen Zylindern 30, 34 hin und her. Weil sich die Kolben 32, 36 und der Arbeitskolben 16 im Verdichtungstakt aufeinander zu bewegen, wird außerdem das wirksame Verdichtungsverhältnis des Motors 10 erhöht. Weil sich die Kolben 32, 36 und der Kolben 16 im Arbeitstakt voneinander weg bewegen, entsteht ein besonderer Unterdruck, der das Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum 25 zieht. Weil sich sowohl der Arbeitskolben 16 als auch der Ausschubkolben 36 im Ausschubtakt nach oben bewegen, kommt es zu einer sehr effektiven Spülwirkung.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, stellt der Motor 10 gemäß der Erfindung einen Viertakt-Verbrennungsmotor bereit, der Ventile überflüssig macht. Der Ansaugkolben 32 und der Ausschubkolben 36 übernehmen eine Ventilfunktion auf eine außerordentlich wirksame, ruhige Art und Weise.
Der Motor 10 gemäß der Erfindung hat den unerwarteten Vorteil einer Erhöhung des wirksamen Verdichtungsverhältnisses des Motors, weil sich der Arbeitskolben 16 und der Ansaug- und Ausschubkolben 32, 36 im Verdichtungstakt aufeinander zu bewegen. Weil sich der Arbeitskolben 16 und der Ansaugkolben 32 im Ansaugtakt voneinander weg bewegen, und weil die Querschnittsfläche der Einlaßkanäle 44 wesentlich größer ist als die eines herkömmlichen Einlaßventils, ist eine bedeutende Zunahme des Stromes in den Brennraum 25 im Vergleich zu herkömmlichen, mit Ventilen arbeitenden Motoren möglich. Ein ähnlicher Effekt ist infolge der von den Auslaßkanälen 46 gebotenen großen Fläche im Ausschubtakt möglich, und auch infolge der Aufwärtsbewegung des Ausschubkolbens 36, wenn sich der Arbeitskolben 16 nach oben bewegt. Wegen des verstärkten Luftdurchsatzes und der erhöhten Verdichtung des Motors gemäß der Erfindung ist der Motor gemäß der Erfindung stärker als Motoren vergleichbarer Größe, und er produziert weniger Schadstoffe.

Claims

1. Verbrennungsmotor, der folgendes umfaßt:

einen ersten Zylinder (14);

einen ersten Kolben (16), der in dem ersten Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist;

eine erste Kurbelwelle (18), die mit dem ersten Kolben (16) verbunden ist;

einen zweiten Zylinder (30), wobei der zweite Zylinder mit dem ersten Zylinder (14) in Fluidverbindung steht;

einen zweiten Kolben (32), der in dem zweiten Zylinder hin- und herbeweglich angeordnet ist;

einen Einlaßkanal (44), der in den zweiten Zylinder (30) mündet, wobei der Einlaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des zweiten Kolbens (32) abgedeckt und wieder freigelegt wird;

einen dritten Zylinder (34), wobei der dritte Zylinder mit dem ersten Zylinder (14) in Fluidverbindung steht;

einen dritten Kolben (36), der in dem dritten Zylinder (34) hin- und herbeweglich angeordnet ist;

einen Auslaßkanal (46), der in den dritten Zylinder mündet, wobei der Auslaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des dritten Kolbens (36) abgedeckt und wieder freigelegt wird;

eine Einrichtung (26) zum Zünden eines durch den Einlaßkanal (44) in den ersten Zylinder (14) eingeleiteten Kraftstoff/Luft- Gemisches; und

eine Einrichtung (38, 54, 56, 58) zum Hin- und Herbewegen des zweiten und dritten Kolbens (32, 36) in Koordination mit dem ersten Kolben (16), um ein brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch in den ersten Zylinder (14) zu ziehen, das Kraftstoff/Luft- Gemisch in dem ersten Zylinder zu verdichten und das verbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem ersten Zylinder auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kurbelwelle (38) vorhanden ist, die so angeordnet ist, daß sie synchron mit der ersten Kurbelwelle (18) angetrieben wird, und die mit dem zweiten und dritten Kolben (32, 36) verbunden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der zweite und dritte Zylinder (30,34) nebeneinander liegen und parallel zueinander ausgerichtet sind.

3, Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der erste, zweite und dritte Zylinder (14, 30,34) parallel zueinander sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Einlaßkanal (44) neben der unteren Totpunktstellung des zweiten Kolbens (32) liegt.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Auslaßkanal (46) neben der unteren Totpunktstellung des dritten Kolbens (36) liegt.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Zünden des Kraftstoff/Luft-Gemisches eine Zündkerze (26) ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, der ferner einen Abstandshalter (24) umfaßt, der den ersten Zylinder (14) von dem zweiten bzw. dritten Zylinder (30,34) trennt, wobei der Abstandshalter eine Öffnung aufweist, in die die Zündkerze (26) eingeschraubt ist.

8, Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Hin- und Herbewegen des zweiten und dritten Kolbens ein mit der ersten Kurbelwelle (18) verbundenes erstes Kettenrad (54), ein mit der zweiten Kurbelwelle (38) verbundenes zweites Kettenrad (56) und eine das erste und zweite Kettenrad verbindende Antriebskette (58) umfaßt, wobei das zweite Kettenrad (56) im Durchmesser doppelt so groß ist wie das erste Kettenrad (54), so daß sich die zweite Kurbelwelle (36) halb so schnell dreht wie die erste Kurbelwelle (18).