DE102004008535A1

DE102004008535A1 - Kolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern

Info

Publication number: DE102004008535A1
Application number: DE102004008535A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Seemann
Original assignee: SEEMANN GmbH
Current assignee: SEEMANN GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-15

Abstract

Im Motorenbau sind Motoren mit in Reihe und V-förmig angeordneten Zylindern die gängige Lösung. Die Kraft wird von den Kolben über die Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen und die Ventile sind im Zylinderkopf neben der Einspritzdüse angeordnet. Man unterscheidet Zweitakt- und Viertaktmotoren.
Der hier behandelte Motor unterscheidet sich folgendermaßen von den oben genannten:
Zylinderanordnung
Die Zylinder sind in zwei sich gegenüberstehenden Ringen kreisförmig angeordnet. Dabei sind sowohl 2 x 4 Zylinder-, 2 x 8 Zylinder-, 2 x 16 Zylinder- und 2 x 32 Zylinder-Anordnungen optimal, weis die Belastung der Taumelscheibe absolut symmetrisch ist.
Kolben und Pleuel
Die zwei Kolben der sich gegenüberstehenden Zylinder sind jeweils durch ein starren Pleuel miteinander verbunden.
Kraftübertragung
In der Mitte dieser Pleuel wird der Rand eienr im Zentrum der beiden Zylinderringe gelagerten Taumelscheibe mit sinusförmigen Ausbuchtungen durch am Pleuel drehbar befestigte Rollen geführt. Bei der Hin- und Herbewegung der Kolben wird diese Taumelscheibe durch die Rollen in eine Drehung versetzt. Bei jeder Bewegungsrichtung der Pleuel ist eine der Rollen belastet.
Arbeitsprinzip
Die Motoren arbeiten nach dem Zweitaktprinzip und verfügen über jeweils ein Einlass- und ein Aulassventil pro Zylinder.
Ventilanordnung ...

Description

Die Erfindung beschreibt ein Konzept für Kolbenmaschinen, vorzugsweise Zweitakt-Dieselmotoren mit 8, 16, 32 und 64 Zylindern. Nach dem gleichen Prinzip können auch Pumpen, Hydraulik- und Pneumatikmotoren gebaut werden.

Zusammenfassung:

Im Motorenbau sind Motoren mit in Reihe und V-förmig angeordneten Zylindern die gängige Lösung. Die Kraft wird von den Kolben über die Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen und die Ventile sind im Zylinderkopf neben der Einspritzdüse angeordnet. Man unterscheidet Zweitakt- und Viertaktmotoren.

Der hier behandelte Motor unterscheidet sich folgendermaßen von den oben genannten:

Zylinderanordnung

Die Zylinder sind in zwei sich gegenüber stehenden Ringen kreisförmig angeordnet. Dabei sind sowohl 2×4 Zylinder, 2×8 Zylinder, 2×16 Zylinder und 2×32 Zylinder – Anordnungen optimal, weil die Belastung der Sinusscheibe zur Kraftübertragung absolut symmetrisch ist.

Kolben und Pleuel

Die Kolben der sich gegenüber stehenden Zylinder sind durch ein starres Pleuel miteinander verbunden und bilden jeweils einen Doppelkolben mit gemeinsamem Pleuel.

Kraftübertragung

In der Mitte dieser Pleuel wird der Rand einer im Zentrum der beiden Zylinderringe gelagerten Scheibe mit sinusförmigen Ausbuchtungen (Sinusscheibe) durch am Pleuel drehbar befestigte Rollen geführt. Bei der Hin- und her- Bewegung der Kolben wird diese Sinusscheibe durch die Rollen in eine Drehung versetzt. Bei jeder Bewegungsrichtung der Pleuel ist eine der Rollen belastet.

Arbeitsprinzip

Die Motoren arbeiten nach dem Zweitaktprinzip in Boxeranordnung und verfügen über jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil pro Zylinder.

Ventilanordnung

Die Ventile sind am Umfang der Zylinder so angebracht, dass beim unteren Totpunkt (UT) der Kolben der Kolbenboden an der Unterkante des Einlassventils liegt. Die Einlassventile sind am inneren Umfang des Motorblockrings, die Auslassventile am äußeren Umfang des Motorblockrings angeordnet. Sie sind rechteckig und umfassen jeweils fast die Hälfte des Zylinderumfangs. Das Auslassventil ist etwas näher zum Zylinderkopf angebracht, damit der Kolben es auf seinem Weg zu UT früher freigibt.

Ventilsteuerung

Die Ventile werden durch Führungen auf den Pleueln über Kipphebel gesteuert.

Einspritzung

Die Kraftstoffeinspritzung geschieht vorzugsweise über Piezoventile aus einem Common Rail System (CR).

Zur Druckerhöhung und zur Reduzierung der Temperatur in den Zylindern kann ein zweites Piezoventil vorgesehen werden, mit welchem kurz vor Öffnung des Auslassventils Wasser in den Brennraum gespritzt wird. Um ein schnelleres verdampfen des eingespritzten Wassers zu erreichen, kann dieses durch die erhitzte Luft der Turbolader vorgewärmt werden, was gleichzeitig zur Ladeluftkühlung dient.

Hier als Beispiel die Ausführung als 32 Zylinder Zweitakt-Dieselmotor:
Der Motorblock besteht aus zwei gleichen Ringen mit je 16 Zylindern. Zylinder und Zylinderkopf sind eine Einheit, also nicht wie bei herkömmlichen Motoren mit Schrauben und Dichtungen verbunden.
Die Zylinder sind kreisförmig, in zwei gleichen, sich mit den Bohrungen gegenüberstehenden Ringen angeordnet. Die Zylinderköpfe zeigen nach außen. Die Einspritzdüsen, vorzugsweise Piezoventile in einem Common Rail System (CR), sind im Zentrum jedes Zylinderkopfes auf der Außenseite angeordnet.
Die Einlassventile sind am inneren Umfang der Zylinderringe (Motorblock) nahe dem unteren Totpunkt (UT) der Kolben rechteckig in die Zylinderwand eingelassen, sie können nahezu über den halben Umfang des Zylinders reichen.
Die Auslassventile in gleicher Form liegen den Einlassventilen gegenüber am äußeren Umfang der Zylinderringe.
Die Kolben sind als Doppelkolben mit gemeinsamem starrem Pleuel ausgeführt. Zwei drehbare Rollen beidseits der Pleuelmitte, auf der dem Mittelpunkt zugewandten Pleuelseite, übertragen die lineare Kolbenbewegung auf eine zwischen ihnen laufende Scheibe mit sinusförmigen Ausformungen. ( Sinusscheibe). Die Steuerung der Ventile geschieht durch auf den Pleueln angebrachte Führungen über Kipphebel.
Die Sinusscheibe ist als Ring ausgeführt, an dessen Innenseite ein Zahnkranz angebracht ist. In diesen Zahnkranz greifen im Abstand von 120° drei Zahnräder ein, eines für die Kraftübertragung zum angetriebenen Gerät, Fahrzeug, Flugzeug, Schiff, die anderen beiden zum Betrieb von Hilfsgeräten wie Generator, Ölpumpe, Kühlmittelpumpe usw. Die Achsen der drei Zahnräder sind beidseitig in Platten gelagert, welche den seitlichen Abschluss des Kurbelgehäuses bilden. Eine weitere Verkleidung am Umfang des Kurbelgehäuses ist in mehrere Teile aufgeteilt, die für Servicezwecke abgenommen werden können.
Die Abgasrohre führen von den Auslassventilen am äußeren Umfang der beiden Zylinderblöcke zu zwei Abgasturboladern, einer für jede Motorenseite, welche die Einlassventile an der Innenseite der Zylinderringe mit Frischluft versorgen.
Die Kühlung kann als Wasser- oder Luftkühlung ausgeführt werden. Aufgrund der kompakten Bauweise und der hohen Leistung empfiehlt sich eine Flüssigkeitskühlung.
Vorteile des Konzepts:

1. Durch den symmetrischen Aufbau werden Vibrationen und Unwucht vermieden.
2. Die ringförmige Anordnung der Zylinder erlaubt eine sehr kompakte Bauweise.
3. Es sind viele Gleichteile möglich, was die Herstellungskosten reduziert.
4. Die starren Pleuel ohne Kurbelwellenlager und nur mit linearer Bewegung erlauben höhere Kolbengeschwindigkeiten.
5. Ein- und Auslassventile beim UT lassen sich mit einem größeren Querschnitt als am Zylinderkopf ausführen.
6. Die auf die Ventile wirkenden Kräfte und Temperaturen sind wesentlich geringer als bei einer Anordnung im Zylinderkopf, weil während der Verbrennung die Ventile hinter dem Kolben und den Kolbenringen liegen.
7. Die zu überwindenden Kräfte beim öffnen und schließen der Ventile sind deutlich geringer als bei der Anordnung im Zylinderkopf.
8. Ein etwas früheres öffnen des Auslassventils lässt den Druck schnell abfallen, so dass beim öffnen des Einlassventils auf dem restlichen Weg bis zum UT des Kolbens bereits eine Frischluftspülung erfolgen kann. Am UT schließt das Auslassventil und der Zylinder wird mit Frischluft gefüllt. Sobald der Kolben das Einlassventil verdeckt, wird dieses ebenfalls geschlossen, um das Eindringen von Druckluft ins Kurbelgehäuse zu verhindern.
9. Der Arbeitsdruck unterstützt die Öffnung des Auslassventils, so dass kaum Energie darauf verwendet wird. Das schließen geschieht bei niedrigem Druck.
10. Das Einlassventil wird beim schließen vom Ladedruck des Turboladers unterstützt.
11. Durch die kürzere Verweildauer der heißen Abgase im Zylinder reduziert sich die Wärmeabgabe an die Zylinderwände und den Kolbenboden.

Kolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern
Bild 1 Motorblock und Sinusscheibe 32 Zylindermotor
Bild 2 Rohranordnung Abgasseite 32 Zylindermotor
Bild 3 Brennraumgeometrie
Bild 4 Abwicklung Sinusscheibe für 32 Zylindermotor
Bild 5 Doppelkolben mit starrem Pleuel und Kraftübertragungsrollen
Bild 6 Ventilanordnung 32 Zylindermotor
Bild 7 Kraftübertragungsprinzip Beispiel 8 Zylindermotor

Claims

Kolbenmotor, gekennzeichnet durch folgende Patentansprüche:
Ringförmige Anordnung der Zylinder in zwei sich spiegelgleich gegenüberstehenden Ringen.
Ausführung als 8, 16, 32 oder 64 Zylindermotor.
Doppelkolben, verbunden durch starre, gerade Pleuel.
Ein- und Auslassventile, welche am Zylinderumfang in der Nähe des unteren Totpunktes angeordnet sind und annähernd den halben Zylinderumfang umfassen.
Kraftübertragung der Kolbenbewegung mittels an den Pleueln angebrachten, drehbaren Rollen, welche sich mit ihrer Umfangsfläche auf einer sich zwischen den Rollen befindlichen Taumelscheibe mit sinusförmigen Ausbuchtungen abrollen und diese dadurch in eine Drehbewegung versetzen. Dabei ist in jeder Bewegungsrichtung der Doppelkolben jeweils eine der Rollen belastet.
Steuerung der Ein- und Auslassventile durch auf den Pleueln befindliche Führungen über Kipphebel.
Anordnung der beiden Turbolader für jeweils eine Motorhälfte seitlich am Umfang des Motors, jeweils einer für einen Zylinderring.
Anordnung der Rohre von den Auslassventilen zu den Turboladern, dergestalt, dass jeweils die Auslassventile eines Zylinderrings in zwei Auspuffrohre münden, die halbkreisförmig entlang des Motorenumfangs zum Abgasturbolader führen. Zwei mal 8 Zylinder speisen beispielsweise einen Turbolader beim 32 Zylinder Motor.
Anordnung der Rohre für die Ladeluft von den Abgasturboladern zu den Einlassventilen an der Innenseite der Zylinderringe so, dass ein Turbolader jeweils die 16 Zylinder eines Zylinderrings speist. (32 Zylindermotor).
Zylinderköpfe und Zylinderringe (Motorblock) aus einem Stück.
Beide Zylinderringe in identischer Ausführung, spiegelbildlich angeordnet.
Kraftabnahme von der Taumelscheibe an die Abtriebswelle über innenliegenden Zahnkranz der Taumelscheibe auf Zahnrad auf der Abtriebsachse mit wählbarer Übersetzung von 1:1 bis etwa 1:4.
Weitere Kraftabnahmen für Zusatzgeräte am innenliegenden Zahnkranz auf weitere Zahnräder.
Anordnung der Piezo-Einspritzventile in der Mitte jedes Zylinderkopfes.
Zylinderförmige Brennräume in den Kolbenböden mit abgerundeten Kanten.
Abgerundete Kanten der Kolbenböden zur besseren Führung der Spülluft von den Einlassventilen mit deren Entsprechung an den Zylinderköpfen.
Möglichkeit der Wassereinspritzung über zusätzliches Piezoventil pro Zylinder, kurz vor Öffnung des Auslassventils, zur Druckerhöhung und Temperatursenkung im Zylinder.
Vorwärmung des einzuspritzenden Wassers über Wärmetauscher von der Ladeluft. Dadurch zusätzliche Ladeluftkühlung.