DD161183A3 - Gegenkolbenzweitaktmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen einen Gegenkolbenzweitaktmotor. Dieser Motor hat eine Reihe von motorischen Vorzuegen und deshalb eine hohe Leistungskonzentration. Die bekannten Ausfuehrungen haben jedoch die Nachteile eines komplizierten Triebwerkes und aufwendiger Drehschieberanordnungen zur Steuerung der Spuelluft. Das Ziel der Erfindung ist die Nutzung der motorischen Vorteile des Gegenkolbenzweitaktverfahrens, die Aufgabe besteht in der Vermeidung der genannten Nachteile. In ringfoermig und achsparallel angeordneten Arbeitszylindern sind Arbeitskolben mittels Taumelscheibentriebwerken gegenlaeufig gefuehrt. Die Triebwerke sind starr gekoppelt, jedoch ihr Abstand fuer eine Verdichtungsverstellung veraenderlich. Jede Arbeitskolbenunterseite und der entsprechende aeussere Zylinderraum sind eine Spuelpumpe. Der Auslass aus den Spuelpumpen wird durch einfache Flachdrehschieber gesteuert. Nur im Auswaertshub der Arbeitskolben kann das Spuelmedium in den gemeinsamen Aufnehmer eintreten. Im Einwaertshub verschliesst der Flachdrehschieber die Austrittsfenster; es tritt Unterdruckbildung ein. Das gilt fuer alle Arbeitskolben, die Maschine ist reiner Saugmotor. Die Erfindung kann als Brennkraftmaschine fuer alle Groessenklassen ausgefuehrt werden. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung '

Die Erfindung betrifft einen gleichstromgespülten Zweitaktverbrennungsmotor mit gegenläufigen Arbeitskolben, welcher infolge der einfachen Triebwerksgestaltung, der gedrungenen Leichtbauweise und seiner Saugmotoreigenschaften als schnellaufende Hochleistungsmaschine für den Antrieb von Kraftfahrzeugen und anderen mobilen Aggregaten besonders geeignet ist. ,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Gleichstromgespülte Zweitaktmotoren mit gegenläufigen Arbeitskolben (Gegenkolbenzweitaktmotor) sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Auf Grund ihrer hohen Leistungsparameter haben sie einen festen Platz im Großmotorenbau eingenommen. Die verschiedenen Ausführungen unterscheiden sich dabei weniger in der Gestaltung der Arbeitszylinder und der Arbeitskolben, sondern vielmehr in der Ausführung des Triebwerkes. Die gegenläufig bewegten Arbeitskolben bedingen gegenüber dem einfachen Kurbeltrieb des herkömmlichen Motors ein kompliziertes Triebwerk. Motoren mit doppeltem Kurbeltrieb (Zweiwellenmotor), wobei beide Kurbelwellen über Zahnräder gekoppelt sind, Motoren mit einem Kurbeltrieb und Anlenkung des zweiten Arbeitskolbens über Querhaupt und Zugstangen und Motoren mit Schwinghebeln zwischen Arbeitskolben und Kurbeltrieb sind die überwiegend ausgeführten Bauarten.

Zu dem Nachteil des komplizierten Triebwerks kommt der Aufwand einer gesonderten Spülpumpe hinzu. Es bestehen zwar auch Vorschläge, bei denen die Kolbenunterseiten Teile der Spülpumpen sind und Drehschieber die Spülluft steuern, jedoch sind diese Drehschieber zentral in der Maschine liegende komplizierte Walzenschieber, die wechselseitig Spülpumpe und Arbeitsraum verschiedener Zylinder miteinander verbinden. Bei diesen Vorschlägen werden überdies alle Stoffwechselfunktionen der Arbeitszylinder durch den Walzendrehschieber gesteuert, was Hochdruckabdichtungen mit den bekannten Nachteilen in bezug auf Schmierung und Verschleiß bedingt.

Die vorstehend genannten Nachteile haben eine breite Anwendung des Gegenkolbenzweitaktmotors im Kraftfahrzeugbau bisher verhindert. Andererseits bietet dieser Motor eine Reihe von motorischen Vorzügen sowohl für Otto- als auch den Dieselmotor, wie

— die Erzielung eines Ladungsdralles bei geringen Luftaufwandverlusten,

— die einfache Verwirklichung einer Ladungsschichtung oder Wandauftragung des Kraftstoffes und

— die Verwirklichung eines für die Spülverluste vorteilhaften unsymmetrischen Steuerdiagrammes sowie großer Zeitquerschnitte als Voraussetzung für den Schnelläufer.

Auf Grund dieser Merkmale und der daraus resultierenden hohen Wirtschaftlichkeit und Hubraumleistung ist der Motor auch zum Ausgleich von Leistungseinbußen auf Grund des Umweltschutzes geeignet.

Ziel der Erfindung *

Die Erfindung hat das Ziel, die verfahrensbedingten motorischen Vorzüge des Gegenkolbenzweitaktverfahrens bei gleichzeitiger Vermeidung der baulichen Nachteile der bekannten technischen Lösungen für den modernen Verbrennungsmotor zu nutzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegenkolbenzweitaktmotor mit gegenüber den bekannten technischen

Lösungen einfacherem Triebwerk zu schaffen und zugleich diesem Motor unter Verzicht auf komplizierte Spülluftsteuerungen

die Eigenschaft eines Saugmotors zu verleihen.

Die Merkmale der Erfindung sind:

In den ringförmig um eine Triebwerkswelle angeordneten Arbeitszylindern sind die Arbeitskolben gegenläufig geführt und

über Gelenkstangen mit zwei an beiden Enden der Triebwerkswelle gelegenen Triebwerken verbunden. Diese Triebwerke können als gegenläufige Taumelscheibentriebwerke oder andere Triebwerke, welche die Arbeitskolben zu gegenläufigen

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Hubbewegungen veranlassen, ausgeführt sein. Jede, dem gemeinsamen Brennraum zweier Ärbeitskoiben abgewandte Seite eines Arbeitskolbens bildet mit dem entsprechenden äußeren Zylinderraum eine Spülpumpe, deren Einlaß in der bekannten Weise durch die Arbeitskolbenunterkante gesteuert wird. Der Auslaß aus den Spülpumpen erfolgt durch Fenster in der Begrenzungswand zwischen den Arbeitszylindern und dem Triebwerksraum, der als Spülmittelaufnehmer dient. Diese Fenster für den Spülmitteldurchlaß werden durch, einfache Flachdrehschieber, die mit der Triebwerkswelle gekoppelt sind, periodisch j

geöffnet und geschlossen, so daß den Bewegungen der Arbeitskolben entsprechend der Spülmittelaustritt aus den Spülpumpen gesteuert ist. ' i

Diese erfindungsgemäße Ausbildung hat mehrere Vorteile:

— Der Gegenkolbenmotor wird Saugmotor und benötigt keine gesonderte Spülpumpe.

— Die Arbeitskolben werden von den Unterseiten her durch das ständig eingesaugte Arbeitsmedium wirksam gekühlt, eine besondere Kolbenkühlung kann entfallen. ' „

— Die Spülpumpen haben gegenüber der Kurbelkastenspülpumpe des umkehrgespülten Zweitakters wegen der Verringerung

des schädlichen Raumes einen besseren Liefergrad. '·.. :

— Die Drehschiebersteuerung schließt mit Hubende jedes Arbeitskolbens bzw. mit optimaler Nacheilung die Auslässe der Spülpumpen ab, womit jede Rückströmung in die Spülpumpe vermieden wird. Damit wird gegenüber dem Zweitakter mit ί Kurbelkastenspülpumpe, bei dem erst nach einem Kolbenrückhub um die Spülschlitzhöhe der Abschluß des Spülpumpenauslasses eintritt, eine weitere Liefergradverbesserung erreicht Ϊ

— Durch die Drehschiebersteuerung werden die Triebwerksräume (= Spülmittelaufnehmer) zu von den einzelnen Spülpumpen getrennten Druckräumen, von denen das Spülmittel den Spülschlitzen der Arbeitszylinder zugeführt wird. Erst dadurch ist

es möglich, größere und verschieden lange Entfernungen zwischen den Spülmittelaufnehmern und den Spülschlitzen zu *überbrücken und den Gegenkolbenzweitaktmotor als Saugmotor zu betreiben.

Die Steuerung des Spülmittelauslasses durch die an der Begrenzungswand zwischen Arbeitszylinder und Triebwerksraum :

arbeitenden Flachdrehschieber bedingt eine druckdichte Durchführung der Gelenkstangen durch die Begrenzungswand. Dazu dient eine winkelbewegliche Abdichtung, die einerseits an der Begrenzungswand angeordnet ist und andererseits den zylindrischen Schaft der Gelenkstange umschließt.

Die Triebwerke sind so ausgebildet, daß die Mittel zur Anlenkung der nicht umlaufenden Triebwerksteile an das Motorengehäuse zur Schmierstoffzuführung vom Motorgehäuse zu allen Gelenkstellen des Triebwerks dienen. Beim Einsatz von "

Taumelscheibentriebwerken dient z. B. eine Gelenkstange zur Anlenkung der Schrägscheibe an das Gehäuse. Der Schmierstoff wird über diese Gelenkstange der Schrägscheibe und von hier aus den Gelenkstangen der Arbeitskolbert zugeführt. Demzufolge I

arbeitet die Maschine nicht mit Mischungsschmierung, aber auch nicht mit der herkömmlichen Druckumlaufschmierung. Die Schmierstoffzufuhr wird in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Motorbelastung so geregelt, daß allen zu schmierenden j

Triebwerksteilen dem Betriebszustand entsprechend Schmierstoff zugeführt wird. Eine Beaufschlagung des Kolbeninneren mit Schmierstoff zum Zwecke einer Kolbenkühlung ist nicht erforderlich, da das Kolbeninnere als Spülpumpe dient und ständig »

vom Spülmitte) durchströmt ist. . ..' l^r'

Die an beiden Enden der Triebwerkswelle befindlichen Taumelscheibentriebwerke oder anderen Triebwerke sind in bezug auf ihren gegenseitigen Abstand verschiebbar angeordnet, womit auch der Abstand der Arbeitskolben im inneren Totpunkt und damit die Verdichtung während des Motorbetriebes verstellbar ist Diese Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kann z. B. *

durch ein last- und drehzahlabhängiges Druckölsystem erfolgen und erhöht bes. im Teillastbereich die Wirtschaftlichkeit der ;

Maschine beträchtlich. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Maschine gestattet eine solche verstellbare Verdichtung mit ί

geringem konstruktivem Aufwand, so daß der Motor auch als Vielstoffmotor eingesetzt werden kann.

Der zwischen den beiden Arbeitskolben bei innerer Totlage entstehende scheibenförmige Brennraum erlaubt in Verbindung j

mit den — über den ganzen Zylinderumfang angeordneten— Spülschlitzen eine intensive Wirbelerzeugung, wobei z. B. gegenüber den bekannten Dralleinlaßkanälen bei Viertaktmotoren geringere Luftaufwandverluste eintreten. _: Die außen frei zugängliche Zylinderkontur erlaubt ferner eine beliebige Anordnung einer Einspritzdüse und einer Zündkerze. ' Dadurch können für den Ottomotor mit direkter Zylindereinspritzung oder den fremdgezündeten Dieselmotor die Einspritzdüse und die Zündkerze in der Drallrichtung der Verbrennungsluft hintereinander angeordnet sein, so daß der Kraftstoffstrahl vor die Zündkerze getragen und damit eine Ladungsschichtung erreicht wird. Ebenso ist es bei Dieselmotoren mit Wandauftragung des Kraftstoffes möglich, daß die Einspritzdüse mit geringem Abstand zum Kolbenboden bei innerer Totlage angeordnet ist und der Kraftstoff mit kurzer freier Strahllänge auf den Kolbenboden aufgetragen wird.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Gegenkolbenzweitaktmotors hat gegenüber den bekannten Ausführungen die weiteren Vorzüge: |

— Die starre und spielfreie Koppelung der gegenläufigen Triebwerke, z. B. der über eine Zwischenwelle fest verbundenen gegenläufigen Taumelwellen vermeidet Schwingungen und Drehmomentspitzen im Triebwerkssystem. j Bei den bekannten Gegenkolbenmaschinen mit durch mehrere Zahnräder gekoppelten Kurbelwellen treten dagegen ' Schwingungsprobleme auf und bedingen meist den zusätzlichen Einbau eines Drehschwingungsdämpfers.

— Die Maschine erfordert keine besondere Einrichtung zur Vernichtung der Durchblasegase, durch welche die Schadstoffemission beträchtlich erhöht wird. Da die Kolbenunterseiten als Spülpumpen arbeiten, werden die Leckgase automatisch dem Spülmedium wieder zugeführt.

Die Maschine kann selbstverständlich auch mit zusätzlicher Aufladung, z. B. der heute vorherrschenden Abgasturboaufladung, betrieben werden. Auch hierfür ist die für den Gegenkolbenmotor neuartige Benutzung der Kolbenunterseiten als Spülpumpen ein Vorteil für die Beherrschung der thermischen Belastung.

Ausführungsbeispiel . In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1: einen Längsschnitt durch die Maschine, Fig.2: einen Schnitt nach der Linie Hin Fig. 1, Fig.3: einen Schnitt nach der Linie H-Il in Fig. 1, , ί Fig.4: einen Schnitt nach der Linie IH-III in Fig. 1. . ' Die Fig. 1 zeigt ein Triebwerksgöhäuse 1, in dem ringförmig mehrere Arbeitszylinder 2 angeordnet sind. In jedem Arbeitszylinder

2 sind zwei Arbeitskolben 3 gegenläufig geführt und über Gelenkstangen 4 mit zwei Taumelscheibentriebwerken 5 verbunden.

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Jede Unterseite 6 eines Arbeitskolbens 3 bildet mit dem entsprechenden äußeren Zylinderraum 7 eine Spülpumpe, deren Einlaß in bekannter Weise von der Unterkante jedes Arbeitskolbens 3 gesteuert ist. Der Einlaß erfolgt über die die Gehäuseaussparungen 8 und den in den Arbeitszylindern 2 befindlichen Ringräumen 9 und Einlaßschlitzen 10. Der Auslaß aus den äußeren Zylinderräumen 7 erfolgt durch Fenster 11 in der Begrenzungswand 12 zwischen den Arbeitszylindern 2 und den Triebwerksräumen 13, die als Spülmittelaufnehmer dienen. Diese Fenster 11 werden durch Drehschieber 14, die mit den Taumelscheibentriebwerken 5 gekoppelt sind, periodisch so geöffnet und geschlossen, daß nur bei gegeneinander nach außen laufenden Arbeitskotben 3 die Fenster 11 den Durchlaß zwischen den betreffenden äußeren Zylinderräumen 7 und dem Triebwerksraum 13 herstellen. Dagegen werden für alle Zylinder mit zueinander nach innen laufenden Arbeitskolben 3 die Fenster 11 von den Drehschiebern 14 verschlossen gehalten, so daß in diesen äußeren Zylinderräumen 7 Unterdruck entsteht und nach Öffnen der Einlaßschlitze 10 durch die Unterkanten der Arbeitskolben 3 die Ansaugung des Arbeitsmediums einsetzt.

Das in den beiden Triebwerksräumen 13 angestaute Arbeitsmedium wird über die Spülrohre S zu den Spülschlitzen 15 geführt und tritt hier teils in radialer, teils in tangentialer Richtung in die Arbeitszylinder 2 ein.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Unterseiten 6 der Arbeitskolben 3 und der Zylinderräume 7 als Spülpumpen bedingt eine druckdichte Durchführung der Gelenkstangen 4 durch die Begrenzungswand 12. Dazu ist als Abschluß der Spülpumpe an der Begrenzungswand 12 eine winkelbewegliche Abdichtung 16 angeordnet, welche den zylindrischen Teil der Gelenkstange 4

gleitend umschließt. · -

Der Auslaß der Verbrennungsgase aus den Arbeitszylindern 2 erfolgt über die Auslaßschlitze 17. .

Das Rohrsystem für Einlaß, Spülung und Auslaß ist in der Fig. 1 nur an einer Zylindereinheit dargestellt. Es ist natürlich an jeder Zylindereinheit vorhanden. Es ist aber auch möglich, daß von den Triebwerksräumen 13.nicht zu jeder Zylindereinheit zwei Spülrohre S führen. Es kann ein ringförmiges, das Triebwerksgehäuse 1 umschließendes Spülrohr vorhanden sein, welches für die gesamte Maschine mit nur zwei oder vier Rohren mit den Triebwerksräumen 13 verbunden ist. Schließlich können diese Rohrsysteme auch als Kanäle an das Triebwerksgehäuse 1 angegossen sein.

In der Fig. 1 sind eine Reihe weiterer erfindungsgemäßer Merkmale dargestellt:

Durch die Federelemente 18 werden die Drehschieber 14 mit leichtem Druck an die Begrenzungswand 12 angepreßt.

Die beiden Taumelscheibentriebwerke 5 sind durch eine Hohlwelle 19 starr miteinander gekoppelt und mittels eines Zugankers 20 verschraubt. Die Taumelscheibentriebwerke 5 besitzen ferner Ausgleichgewichte 21, so daß der bekannte sehr erschütterungsfreie Lauf der Gegenkolbenmaschinen gewahrt wird. Die mittleren, thermisch hochbelasteten Zylinderpartien sind außen verrippt und von einem großen Wasserraum 22 umgeben. Dieser Wasserraum 22 sowie die anderen Wasserräume und die Ringräume für Einlaß, Spülung und Auslaß werden von selbst durch das Einsetzen der Arbeitszylinder 2 in das Triebwerksgehäuse 1 gebildet, wobei entsprechende Dichtungsringe 23 die verschiedenen Räume voneinander abgrenzen.

Die Fig. 2 zeigt nach der Linie l-l einen Schnitt durch die Mitte der Arbeitszylinder 2 und des Triebwerksgehäuses I.Ferner sind im Schnitt die Hohlwelle 19, der Zuganker 20 und die Zündkerzenbohrung 24 dargestellt. Die Ausdehnung des Wasserraumes 22 zeigt die vollständige Umspülung der mittleren Zylinderpartien. Die Zündkerzenbohrung 24 kann im Falle einer Dieselmaschine auch die Einspritzdüse aufnehmen.

Die Fig. 3 zeigt nach der Linie H-Il einen Schnitt durch das Einlaßsystem der linken Arbeitskolben.

Es ist bei den rechten Arbeitskolben in der gleichen Art vorhanden. Das Arbeitsmedium tritt durch die Gehäuseaussparungen 8, die Ringräume 9 und die Einlaßschlitze JO in die äußeren Zylinderräume 7 ein. Die Gehäuseaussparungen 8 sind so breit wie die Außendurchmesser der Arbeitszylinder 2 und ermöglichen damit eine gute Füllung der äußeren Zylinderräume 7. In der Fig.3 ist ferner die Verbindung der Hohlwelle 19 mit dem Endstück des Taumelscheibentriebwerks 5 dargestellt.

In der Fig. 4 ist im Schnitt HNII durch ein Taumelscheibentriebwerk 5 zugleich die Schmierstoffzuführung vom Triebwerksgehäuse 1 zu den Gelenkstangen 4 und den Arbeitskolben 3 angegeben.

Die nicht umlaufende Taumelscheibe 25 ist über eine Gelenkstange 26 an das Triebwerksgehäuse 1 angelenkt. Der Schmierstoff wird die Schmierstoffbohrung 27 einer Ringleitung 28 zugeführt, welche an der Taumelscheibe 25 angeordnet ist. Von dieser Ringleitung 28 fließt der Schmierstoff zu den beiden Köpfen der Gelenkstangen 4 (vgl. auch Fig. 1).

Die Wälzlager der Taumelscheibentriebwerke 5 und die Arbeitskolben 3 werden von dem aus den Köpfen der Gelenkstangen 4 und 26 abspritzenden Schmierstoff versorgt. Die zugeführte Schmierstoffmenge wird in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Motorbelastung geregelt.

In der Fig. 5 sind die beiden Endstücke der Taumelscheibentriebwerke 5 und ihre Verbindung durch die Hohlwelle 19 in veränderter Form dargestellt. Das Endstück 29 eines Taumelscheibentriebwerkes 5 ist zusätzlich zur drehfesten Verbindung mit der Hohlwelle 19 mit einem Kolben 30 versehen, welcher in einem Zylinderraum 31 der Hohlwelle 19 gleiten kann. Der Ringraum 32 wird drehzahl- und lastabhängig mit Drucköl beaufschlagt, welches über den Kanal 33 zugeführt wird.

Mit dieser Gestaltung der Verbindung beider Taumelscheibentriebwerke 5 ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis bes. mit dem Belastungszustand der Maschine auf einfache Weise zu verändern. So kann während des Motorbetriebes mit abnehmender Belastung die Druckölzuführung verstärkt werden, womit sich die Triebwerke annähern und das Verdichtungsverhältnis erhöht wird. Bei ansteigender Belastung und entsprechend verringerter Druckölzuführung werden die Triebwerke durch die Verbrennungskräfte nach außen geführt und damit das Verdichtungsverhältnis selbsttätig verringert.

In der Fig. 6 ist ein Ausschnitt der Fig. 2 in veränderter Form dargestellt. Im Arbeitszylinder 2 ist in der Richtung der kreisenden Verbrennungsluft vor der Zündkerzenbohrung 24 eine Einspritzdüse 34 angeordnet. Damit kann für den Einspritz-Ottomotor eine Ladungsschichtung in einfacher Weise erzielt bzw. die Maschine als fremdgezündeter Dieselmotor betrieben werden.

Claims (6)

1. Gegenkolbenzweitaktmotor mit ringförmig angeordneten Arbeitszylindern und mit je Arbeitszylinder zwei gegenläufigen Arbeitskolben, wobei die Arbeitskolbenunterseiten Teile der Spülpumpen sind und mit der Triebwerkswelle gekoppelte Drehschieber zur Spülluftsteuerung dienen, gekennzeichnet dadurch, daß ein an der Begrenzungswand (12) zwischen den Arbeitszylindern (2) und dem Triebwerksraum (13) anliegender Flachdrehschieber (14) den Spülmitteldurchlaß von den äußeren Zylinderräumen (7) zu dem als gemeinsamen Spülmittelaufnehmer dienenden Triebwerksraum (13) periodisch steuert. . .

2. Gegenkolbenzweitaktmotor nach Punkt 1 ,gekennzeichnet dadurch, daß die Gelenkstange (4) jedes Arbeitskolbens (3) durch die Begrenzungswand (12) zwischen den Arbeitszylindern (2) und einem Triebwerksraum (13) mittels winkelbeweglicher Abdichtung (16) druckdicht hindurchgeführt ist.

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Erfindungsansprüche:

3. Gegenkolbenzweitaktmotor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schmierstoffzuführung zu allen Gelenkstellen der Maschine und zu den Arbeitskolben (3) über die Mittel (26) zur Anlenkung der nicht umlaufenden Teile (25) der Taumelscheibentriebwerke (5) und über die Gelenkstangen (4) erfolgt.

4. Gegenkolbenzweitaktmotor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Taumelscheibentriebwerke (5) oder anderen Triebwerke in axialer Richtung verschieblich gehalten sind und ihr gegenseitiger Abstand durch eine Verstelleinrichtung (30,31,32) für eine während des Motorbetriebes regelbare Verdichtung ver- und einstellbar ist.

5. Gege'nkolbenzweitaktmotor nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß am Umfang jedes Arbeitszylinders (2) eine Einspritzdüsenbohrung (34) in der Richtung der kreisenden Verbrennungsluft vor der Zündkerzenbohrung (24) angeordnet ist. '

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