DE69625427T2 - Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad mit doppelwirkendem Kolben und Vorrichtungen zur Zufuhr und Einlass - Google Patents

Description

• Das vorliegende Patent für eine industrielle Erfindung betrifft einen Explosionsmotor endothermer Art und hohen Wirkungsgrads, dessen Besonderheit darin besteht, dass er mit einem doppelt wirkenden Kolben auszustatten ist, der mit Zuführungs- und Einlasseinheiten zusammenarbeitet.
• In bekannter Weise sind Vergasungsmotoren oder Verbrennungsmotoren, d. h. so genannte Explosionsmotoren, mit einem Zylinder ausgestattet, in dem ein Kolben laufen kann, um eine zyklische Bewegung an eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange weiterzugeben, die mit der Antriebswelle verbunden ist.
• Zusätzlich zu dem Zylinder und Kolben sind die Vier-Takt-Motoren mit Einlassventilen und Auslassventilen sowie einer Öffnungs- und Schließeinrichtung für die Ventile ausgestattet. Insbesondere die Motoren von Motorfahrzeugen sind mit Seitenventilen oder Kopfventilen ausgestattet. Die Seitenventile sind über die Seite und offen in einer Seitenkammer angeordnet, während die Kopfventile im Boden des Zylinders angeordnet sind, der unmittelbar dem Inneren des Zylinders zugewandt ist und als "Kopf" bezeichnet wird. Die Kopfventile werden aus technischer Sicht bevorzugt.
• Bei den Zwei-Takt-Motoren gibt es üblicherweise keine Ventile, sondern nur "Anschlüsse", d. h. in dem Zylinder ausgebildete Löcher. Diese Löcher sind nicht abgedeckt, wenn sich der Kolben in der Nähe des unteren Todpunktzentrums befindet. Die konstruktive Vereinfachung, die sich aus einer solchen Ausbildung ergibt, ist evident, obwohl es sogar wahrscheinlich ist, dass der größte Teil der Luft, die von den Spülanschlüssen kommt, durch die Auslassanschlüsse, die sich in der Nähe des Spülanschlüsse befinden, austritt.
• Es gibt einige Verfahren zur Vergrößerung der einfachen Kräfte der Motoren, beispielsweise die leichtere Ausbildung der abwechselnden Kräfte und Vergrößerung der Ventile, was eine Vergrößerung der Durchschnittsgeschwindigkeit des Kolbens gestattet, die Zuhilfenahme eines Zwei-Takt-Zyklus, der die Kraft unter den gleichen Bedingungen verdoppelt, und die Verwendung eines so genannten "doppelt wirkenden Effekts", der in dem Schließen des Zylinders an beiden Enden besteht, sodass der Kolben den Zylinder selbst in zwei Kammern unterteilt, wobei gleichzeitig in jeder ein Zyklus stattfindet:
• US-A-3 340 857 offenbart einen Motor mit einem doppelt wirkenden Kolben in einem Arbeitszylinder. Der Motor arbeitet mit Zuführungs- und Einlasseinheiten zusammen. An der zentralen Achse des Kolbens sind Ventilkolben befestigt, die in Hülsen gleiten, die Einlassanschlüsse enthalten. Weiter ist der Arbeitszylinder mit Auslassöffnungen an seinem zentralen Teil ausgestattet.
• Jedoch ist der doppelt wirkende Zylindertyp bisher nicht in einer wesentlichen Weise entwickelt worden, weil diese Art eines Zylinders als weniger sicher als ein einfach wirkender Zylinder angesehen wird. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Explosionsmotor mit einem doppelt wirkenden Zylinder zu entwickeln und herzustellen, dessen Besonderheit das Vorhandensein von Hilfskomponenten ist, was die Optimierung der Einlasshübe gestattet, weil diese Hilfskomponenten in einer solchen Weise angeordnet sind, dass die zu verbrennenden Gase nicht durch den Kolben angesaugt werden.
• Diese Aufgabe wird durch den Motor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Ein mit der vorliegenden Erfindung erreichter unmittelbarer Vorteil ist ein viel höherer Wirkungsgrad bei dem vorliegenden Motor als bei anderen Explosionsmotoren.
• Alle obigen Aufgaben und Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines Motors höheren Wirkungsgrades erreicht, der mit einem doppelt wirkenden Kolben ausgestattet ist, der mit Zuführungs- und Einlass-Hilfseinheiten zusammenarbeitet, wobei der Motor dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen Zylinder, in dem ein Kolben gleiten kann, und eine Durchgangswelle, die an der zentralen Achse des Kolbens befestigt ist, aufweist; dass die Durchgangswelle mittels des Kolbens in zwei besonders gestaltete Halbwellen aufgeteilt ist, deren äußere Enden mit Hilfskolben ausgestattet sind, die in geeigneten Einlasskammern gleiten, und dass mindestens eines der beiden freien Enden der Halbwellen mittels einer Schwalbenschwanzverbindung mit einer Verbindungsstange bzw. Pleuelstange oder dergleichen verbunden ist; dass die Einlasskammern vorzugsweise mit Ventilen, die den Eintritt von Gasen bewirken, ausgestattet ist; dass der zentrale Teil des Kolbens mit Auslassöffnungen ausgestaltet ist; dass der Kolben und die zugehörige Durchgangswelle axial und zyklisch entsprechend den beiden aktiven Explosionen mit einer Umlaufbewegung der Verbindungsstange bzw. Pleuelstange von 360º verschoben werden können.
• Weitere Eigenschaften und Details der vorliegenden Eindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die eine bevorzugte Ausführungsform, die als ein die vorliegende Erfindung nicht einschränkendes Beispiel angegeben ist, anhand der beigefügten Zeichnungen beschreibt, in denen zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner Gesamtheit;
• Fig. 2 eine schematische Ansicht des Motors in einer Arbeitsphase im Gegensatz zu der vorausgehenden.
• Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner Gesamtheit. Im Allgemeinen besteht der Motor aus einem Zylinder 2, in dem ein Kolben 3 gleiten kann. Die zentrale Achse des Kolbens ist durch eine Durchgangswelle bestimmt, die an dem Kolben selbst befestigt ist und zu diesem koaxial verläuft. Die Welle ist mittels des Kolbens in zwei Halbwellen 4 und 5 unterteilt, die die gleiche Größe und Gestalt besitzen. Von dem Kolben 3 aus nach außen gehend treten die beiden Halbwellen 4 und 5 durch Öffnungen 6 und 7 hindurch, die mit elastischen Bändern bzw. Ringen oder ähnlichen Dichtungen ausgestattet sein können. Diese Öffnungen 6 und 7 sind in Körpern oder Köpfen 8 und 9 ausgebildet, die an den beiden Enden des Zylinders befestigt sind. Weiter treten die Halbwellen 4 und 5 durch geeignete Einlasskammern 10 und 11 hindurch, die im Inneren der Köpfe 8 und 9 vorgesehen sind. Weiter zeigen die Halbwellen 4 und 5 Einschnürungen oder dergleichen 12 und 13. Die weiter äußeren Teile dieser Einschnürungen enden in den Kolben 14 und 15, die in den oben beschriebenen Einlasskammern 10 und 11 gleiten. Die Einschnürungen 12 und 13 können Löcher, Durchtritte oder dergleichen sein und gestatten es, dass das Einlassgas den jeweiligen Explosionskammern zugeführt wird.
• Eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 16 ist mit einer Schwalbenschwanzführung an mindestens einem der beiden freien Enden der Halbwellen 4 und 5 befestigt, und genau gesagt an dem freien Ende der Halbwelle 5. Die Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 16 nimmt die zyklische Bewegung der umlaufenden Antriebswelle auf, wie unten beschrieben wird.
• Weiter sind die Körper oder Köpfe 8 und 9 mit Öffnungen 17 und 18 ausgestattet, die mit den Einlasskammern 10 und 11 in Verbindung stehen. Einlassventile 19 und 20 sind an den Mündungen der Einlasskammern angeordnet.
• Der mittlere Teil des Zylinders 2 ist mit Auslässen 21 ausgestattet. Sitze 22 und 23 sind an den beiden gegenüberliegenden Kopfseiten vorgesehen. Zündkerzen sind in den Sitzen 22 und 23 eingesetzt. Alle Kolben 3, 14 und 15 sind mit elastischen Bändern bzw. Ringen oder anderen ähnlichen Dichtungen oder Packungen ausgestattet. Die äußeren Teile 24 und 25 der beiden Halbwellen 4 und 5 können in geeigneten Stützen gleiten.
• Der Kolben 3 teilt das Innere des Zylinders 2 in zwei mit A und B bezeichnete Kammern auf.
• Nachfolgend wird ein Beispiel der Arbeit des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung kurz beschrieben.
• Zu Beginn des ersten Zyklus bewirkt die in dem Sitz 23 eingesetzte Zündkerze eine Explosion in der Kammer A, in der die Mischung zuvor unter Druck gesetzt worden ist. Dann bewegt sich der Kolben 3 in Richtung zu der Kammer B und setzt das in dieser Kammer enthaltene Gas unter Druck.
• Wenn der Kolben 3 die obige Bewegung durchführt, bewegt sich der Hilfskolben 14 zurück und saugt das Gas von dem Ventil 19 aus ein. Gleichzeitig führt der gegenüberliegende Kolben 15 das Gas in der Kammer A ein, während die durch die vorausgehende Verbrennung erzeugten Gase durch die Ausgänge 21 austreten.
• Wenn der Kolben 3 das Hubende in der Kammer B erreicht, bewirkt die in dem Sitz 22 eingesetzte Zündkerze die Explosion des unter Druck stehenden Gases und die Rückstellbewegung des Kolbens 3 in der entgegengesetzten Richtung.
• In dieser Phase führt der Hilfskolben 14 den Kraftstoff in der Kammer B ein, welcher Kraftstoff zuvor über das Ventil 19 angesaugt worden ist, während der Kolben 3 die verbrannten Gase durch die Öffnungen 21 austreten lässt und der Hilfskolben 15 frischen Kraftstoff durch das Ventil 20 hindurch ansaugt und einen neuen Zyklus beginnt.
• Entsprechend kann der oben beschriebene Motor zwei aktive Arbeitsvorgänge bei einer Umlaufbewegung der Pleuelstange von 360º durchführen, und dies ist der Grund, warum der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung sich von den herkömmlichen Vier-Takt- und Zwei-Takt-Motoren, die sich auf dem Markt befinden, unterscheidet. Tatsächlich führt bei den Lösungen des Standes der Technik ein Vier-Takt-Motor einen einzigen Arbeitsvorgang oder eine einzige aktive Phase bei zwei Umlaufbewegungen der Kurbelwelle von 360º durch, während ein Zwei-Takt-Motor einen einzigen Arbeitsvorgang bei einer Umlaufbewegung 360º durchführt.
• Weiter unterscheidet sich das Konzept des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung sehr stark von dem Konzept der herkömmlichen doppelt wirkenden Zwei-Takt- und Vier-Takt-Motoren, weil die bekannten doppelt wirkenden Motoren theoretisch in zwei gleiche Motoren unterteilt werden können, während dies bei dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung nicht möglich ist, wo über Kreuz gearbeitet wird. Genauer gesagt wird das Ansaugen und Einführen von Kraftstoff in einem Sektor bei dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Tätigkeit des gegenüberliegenden Sektors bewirkt.
• Ein zu berücksichtigender weiterer wichtiger Aspekt ist folgendes: die bekannten doppelt wirkenden Zwei-Takt-Motoren besitzen Einlass- und Auslassöffnungen in der Höhe des unteren Todpunktzentrums des Zylinders, der dem Explosionsteil gegenüberliegt, während der Auslass bei dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung in den unteren Todpunktzentren auftritt und frischer Kraftstoff von den gegenüberliegenden Seiten aus zugeführt wird, d. h. von dem Explosionsteil aus.
• Entsprechend sind die Halbwellen 4 und 5 nicht nur ein Verbindungselement zum Verbinden der Verbindungsstange bzw. Pleuelstange und des Kolbens, sie sind auch wesentliche Elemente, die die Arbeitsphasen des Motors bewirken.
• Kurz gesagt wird bei dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung der Kraftstoff von einer Seite des Kopfs des Zylinders aus zugeführt, und wird der verbrannte Kraftstoff durch den zentralen Teil des Zylinders selbst abgeführt. Auf diese Weise wird eine ausgezeichnete Spülung der Explosionskammer A-B während des Austauschs der Gase erreicht, während der Kraftstoffverbrauch geringer und der Wirkungsgrad höher sind.
• In vorteilhafter Weise kann der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung mit oder ohne Ventile hergestellt sein, wobei die beiden Arbeitsphasen während einer Umlaufbewegung der Kolbenstange von 360º unverändert sind. Weiter können, sofern notwendig, Rückschlagventile irgendeiner Art verwendet werden.
• Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anwendung von einem oder mehreren Einlassventilen für die Gase die Einschnürungen, Löcher oder Austritte der Halbwellen ersetzen kann, welche Einlassventile durch die Halbwellen oder andere Hilfseinrichtungen gesteuert werden.
• Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Verwendung von zwei Kurbelwellen und zwei Verbindungsstangen bzw. Pleuelstangen. In diesem Fall wird die Beanspruchung auf zwei Punkte verteilt, und werden als Folge die Bewegungsteile leichter ausgebildet, und können zwei Krafteingängen verwendet werden.
• Der vorliegende Motor kann in mehreren Versionen hergestellt werden, d. h. mit einem Einlass mit Vergaser, mit Einspritzung, mit Rotationsventilen und mit der Möglichkeit der Anordnung von von den koaxialen Wellen getrennten Hilfskolben 14 und 15. Tatsächlich können die Hilfskolben 14 und 15 auch außerhalb der jeweiligen Halbwellen angeordnet sein. Diese Kolben können durch andere ähnliche Komponenten für die Einführung des Gases in die Explosionskammern ersetzt werden und können durch andere Elemente gesteuert werden und müssen nicht durch die gleiche Welle gesteuert werden.
• In diesem Fall ist der Motor mit Ventilen ausgestattet, und sind mehrere Verteilungselemente, wie beispielsweise Ketten, Stangen und Verteilungszahnräder weggelassen.
• Einer der Vorteile des vorliegenden Motors besteht darin, das Problem der ovalen Ausbildung des Zylinders zu überwinden. Weiter besteht keine Gefahr eines Verschleißes zwischen Kolben und Zylinder, weil diese Elemente nie miteinander in Berührung kommen. Die einzigen Berührungselemente sind die elastischen Bänder bzw. Ringe.
• Der vorliegende Motor ist entsprechend einer bevorzugten Lösung beschrieben und dargestellt worden. Irgendwelche Varianten sind möglich.

Claims (10)

1. Motor mit hohem Wirkungsgrad, umfassend

einen doppelt wirkenden Kolben (3) in einem Zylinder (2) mit Explosionskammern (A, B) an beiden Seiten des Kolbens (3),

eine Durchgangswelle an der zentralen Achse des Kolbens (3), welche Welle mittels des Kolbens (3) in zwei Halbwellen (4, 5) aufgeteilt ist, deren äußere Enden mit Hilfskolben (14, 15) ausgestattet sind, die in Einlasskammern (10, 11) gleiten, die gegenüber den Verbrennungskammern (A, B) mittels einer Wand getrennt sind, durch die hindurch sich die Halbwellen (4, 5) erstrecken,

wobei dis beiden Einlasskammern (10, 11) mit Gaseinlassöffnungen (17, 18) ausgestattet sind, die mit Rückschlagventilen oder dergleichen (19, 20) ausgestattet sind, und wobei die beiden Hilfskolben (14, 15) eine Arbeitsfläche aufweisen, die in Richtung zu der Seite des doppelt wirkenden Kolben (3) gewandt ist, sodass das Gas mittels der Arbeitsseite der Hilfskolben von der Einlasskammer zu der jeweiligen Explosionskammer durch ein Durchlassmittel (12, 13) hindurch gefördert wird, das in jeder der Halbwellen (4, 5) vorgesehen ist, und

wobei der Zylinder (2) mit Auslassöffnungen (21) in seinem zentralen Teil ausgestattet ist und mindestens eines der beiden freien Enden der Halbwellen (4, 5) mittels einer Schwalbenschwanzführung mit einer Verbindungsstange bzw. Pleuelstange (16) oder dergleichen verbunden ist.

2. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Kolben (3) aus nach außen gehend die beiden Halbwellen (4, 5) durch Öffnungen (6, 7) hindurchtreten, die mit elastischen Bändern bzw. Ringen oder ähnlichen Dichtungen oder Packungen ausgestattet sind, welche Öffnungen in Körpern oder Köpfen (8, 9) ausgebildet sind, die an den beiden Enden des Zylinders (2) befestigt sind, und die Halbwellen (4, 5) durch geeignete Einlasskammern (10, 11) hindurchtreten, die in den Köpfen (8, 9) vorgesehen sind.

3. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) und die zugehörigen koaxialen Wellen (4, 5) axial und zyklisch entsprechend zwei aktiven Explosionen bei einer Umlaufbewegung der Verbindungsstange bzw. Pleuelstange von 360º verschoben werden.

4. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassmittel (12, 13) der Wellen (4, 5) Einschnürungen, Löcher, Durchtritte, Öffnungen oder dergleichen sind, deren äußerste Teile in den Hilfskolben (14, 15) enden, die in den Einlasskammern (10, 11) gleiten.

5. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürungen, Löcher, Durchtritte, Öffnungen oder dergleichen es gestattet, dass das Einlassgas durch die jeweiligen Explosionskammern (A und B) hindurchtritt.

6. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) mit geeigneten Sitzen (22 und 23) ausgestattet ist, die an den beiden einander gegenüberliegenden Seiten des Kopfs ausgebildet sind und in welchen Sitzen Zündkerzen eingesetzt sind.

7. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit zwei Kurbelwellen und daher mit zwei Verbindungsstangen bzw. Pleuelstangen verbunden sein kann, wodurch die Beanspruchung an zwei Stellen verteilt wird, dies mit der Folge, dass die Bewegungskomponenten leicht ausgebildet sind und zwei Krafteingänge verwendet werden können.

8. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehr Ventile für den Einlass der Gase innerhalb der Durchlassmittel (12, 13) der Halbwellen vorgesehen sind, wobei die Einlassventile mittels der gleichen Halbwellen oder anderer Hilfseinrichtungen gesteuert werden.

9. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er entsprechend der Einlass-Vergaserversion oder Einspritzversion aufgebaut ist und die Öffnungen (17 und 18) mit Rückschlagventilen, beispielsweise Rotationsventilen oder Lamellenventilen oder dergleichen (19, 20) ausgestattet sind.

10. Motor mit hohem Wirkungsgrad nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kolben (3, 14, 15) mit elastischen Bindern bzw. Ringen oder ähnlichen Dichtungen ausgestattet sind und die äußeren Teile (24, 25) der beiden Halbwellen (4, 5) in geeigneten Stützen gleiten.