DE102004032452A1

DE102004032452A1 - Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren

Info

Publication number: DE102004032452A1
Application number: DE102004032452A
Authority: DE
Inventors: Günter Elsbett
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20080115771A1; DE202005021624U1; EP1776514A1; US7669560B2; WO2006002982A1; JP2008505282A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren und ermöglicht ein von der Stellung der Kolben unabhängiges Öffnen und Schließen von im Zylinder befindlichen ringförmigen Ein- und Auslassschlitzen dadurch, dass die in Fig. 2 gezeigten gegenläufigen Kolben 7 und 8, hier im den Brennraum 17 einschließenden inneren Totpunkt gezeigt, während ihres Hubes ganz oder teilweise in während des Motorbetriebes mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch linear hin- und herbewegten Schiebebüchsen 9 und 10 geführt sind, welche die in dem die Schiebebüchsen aufnehmenden Gehäuse liegenden Gasführungskanäle 13 und 14 öffnen und schließen können. Die Kolbenringe überlaufen dabei die Stoßspalte der Schiebebüchsen wie hier gezeigt nie oder nur im geschlossenen Zustand, je nach Positionierung der Gasführungskanäle im Bereich der inneren oder äußeren Totpunkte. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung werden die bekannten Probleme von schlitzgesteuerten Motoren, z. B. Ölabstreifung in die Schlitze und Aufspringen der Kolbenringe, vermieden.

Description

Die im Zusammenhang mit der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen stehenden Probleme hinsichtlich limitierter Ressourcen, Umweltbelastung und Klimaveränderung haben zu einer Anzahl von Konzepten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren geführt. In der modernen Technologie heutiger Motoren mit innerer Verbrennung sind bereits einige dieser Konzept sehr gut umgesetzt, beispielsweise die sehr niedrige mechanische Reibung der bewegten Motorteile, so dass hier kaum noch Potenzial zu weiterer Optimierung vorhanden ist. Wesentliche Fortschritte sind jedoch noch im thermodynamischen Bereich zu erzielen. Durch die Weiterentwicklung der Direkteinspritzung für Dieselmotoren, komplexe Einspritztechnik und elektronisches Motormanagement ist die Richtung bereits vorgegeben. Zu den Optimierungsmaßnahmen zählt auch die Reduzierung der Wärmeverluste, da alle durch Verbrennung erzeugte Wärme umsonst verbrannter Kraftstoff ist, soweit sie nicht durch Gasexpansion in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Im Hinblick darauf, einen solchen nahezu adiabatischen Motorbetrieb möglich zu machen, weist das Prinzip des Gegenkolbenmotors durch das Fehlen eines Zylinderkopfes den thermodynamischen Vorteil einer erheblich geringeren dem Arbeitsgas ausgesetzten wärmeabführenden Oberfläche auf. Deshalb bezieht sich die vorliegende Erfindung vorwiegend auf Gegenkolbenmotoren, obwohl sie prinzipiell für alle schlitzgesteuerten Motoren angewendet werden kann.
Gegenkolbenmotoren funktionieren nach dem Zweitaktverfahren, da wegen der fehlenden Kopfplatte keine gesteuerten Ventile zur Regelung des Gaswechsels angebracht werden können. Die Kolben laufen auf ihrem Weg vom oberen zum unteren Totpunkt über im Zylinder befindliche Schlitze, wodurch die Ein- und Auslasskanäle geöffnet werden und der Gaswechsel ermöglicht wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass die den Kolben abdichtenden Kolbenringe beim Überlaufen der Schlitze aufspringen würden, so dass der Ringquerschnitt durch entsprechende Führungsstege eingeengt werden muss. Zudem ist durch die ölabstreifende Wirkung der Ringe in die Schlitze die Einhaltung immer schärferer Emissionsvorgaben sehr schwierig. Die Verwendung von ringlosen Kolben ist beim Trend zu immer höheren Spitzendrücken nicht indiziert. Eine Veränderung der sich durch die Lage der Steuerschlitze ergebenden Steuerzeiten für den Gaswechsel ist nur durch die Einbringung anders positionierter Schlitze oder durch Verstellung des Synchronlaufes der Kurbelwellen möglich.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Gaswechsel bei Gegenkolbenmaschinen zu erlauben, ohne die Ringe über Schlitze laufen zu lassen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Zylinder linear bewegliche Schiebebüchsen angeordnet sind, welche die im Zylinder befindlichen Ringkanäle durch einen Ringspalt erst dann öffnen, wenn im Verlauf des Hubes die Ringpartie des Kolbens diese Stelle bereits passiert hat oder dieser Ringspalt außerhalb der Umkehrpunkte der Kolbenringe liegt, so dass sie gar nicht passiert wird. Die Bewegung der Schiebebüchsen kann auf klassische Weise von einer Nockenwelle gesteuert werden, oder durch andere Aktuatoren mechanisch, elektrisch oder hydraulisch erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung dieser Gaswechselsteuerung mittels Schiebebüchsen ist es möglich, Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslasskanäle unabhängig von der jeweiligen Kolbenstellung festzulegen. Sogar ein Viertaktverfahren ist damit möglich, indem nach dem Expansionshub beider Kolben zunächst nur der Auslassschlitz geöffnet wird und das Arbeitsgas während der aufeinander zu führenden Kolbenbewegung ausgestoßen wird. Im oberen Totpunkt wird danach der Auslassschlitz geschlossen und der Einlassschlitz geöffnet, wobei durch die auseinander strebenden Kolben frisches Gas angesaugt wird. Im unteren Totpunkt erfolgt dann das Schließen von Einlass und darauf wieder ein Kompressions- und Expansionshub bei geschlossenen Schlitzen.

Sind die Ein- und Auslasskanäle im Bereich der oberen Totpunkte angeordnet und liegen die die Schlitze verschließenden Spaltenstöße über dem oberen Umkehrpunkt der Kolbenringe, muss dieser Verschluss gegen hohen Gasdruck abdichten können. Hierzu muss eine enge Dichtpassung gewählt werden, was aber möglich ist, da sich die Laufbüchsen unter dem hohem Gasdruck nicht bewegen müssen, sondern erst gegen Ende des Expansionshubes bis kurz nach Beginn des Kompressionshubes, wenn keine hohen Drücke mehr vorherrschen. Die Kolbenringe verlassen dabei niemals die innere schlitzlose Lauffläche der Büchse, bzw. laufen nie über geöffnete Schlitze.

Sind die Ein- und Auslasskanäle im Bereich der unteren Totpunkte angeordnet, gewährleistet dies eine bessere Ausspülung des Zylinders beim Zweitaktverfahren. Hierbei laufen die Kolben den größten Teil ihres Weges unter Gasdruck in einer feststehenden Laufbüchse. Die Kolbenringe überlaufen gegen Ende des Expansionshubes einen praktisch spaltlosen Stoss beim Übergang von der feststehenden Laufbüchse in die bewegliche Schiebebüchse. Während des Übergangs ist dieser Stoss noch geschlossen und wird erst danach geöffnet, um den darunter liegenden Schlitz freizugeben. Er wird rechtzeitig vor Rückkehr des Kolbens wieder verschlossen. Bei diesem Verfahren werden die Schiebebüchsen nur sehr gering durch Gasdrücke und Temperaturen belastet. Diese Steuerung der Schiebebüchsen kann durch eine Nockenwelle erfolgen, die auch gleichzeitig die Steuerung der Einspritzung übernimmt.

Bildbeschreibung:
1 stellt einen prinzipiellen Querschnitt durch einen Gegenkolbenmotor dar. Er zeigt die gegeneinander verschraubten Gehäusehälften 1 und 2, in denen die Kurbelwellen 3 und 4 gelagert sind, welche über die P1euel 5 und 6 die Kolben 7 und 8 bewegen. Diese sind in den längs verschiebbaren Schiebebüchsen 9 und 10 geführt. Über die Nockenwellen 11 und 12 können die Schiebebüchsen so bewegt werden, dass sie die im Gehäuse liegende Gasführungskanäle 13 und 14 öffnen und schließen können. Eine Nockenwelle dient gleichzeitig als Antrieb für die Einspritzpumpe 15, welche den Kraftstoff über die Düse 16 in den Brennraum 17 einspritzt. Über ein Räderwerk 18 sind die beiden Kurbelwellen 3 und 4 synchron laufend verbunden, wobei 2 Zwischenräder als Antrieb für die Nockenwellen 11 und 12 dienen.
2 zeigt Details der vorbeschriebenen Darstellung mit den gleichen Bezugsziffern.
3 zeigt beide Kolben 7 und 8 im oberen Totpunkt. Beide Schiebebüchsen 9 und 10 halten die Gasführungskanäle 13 und 14 geschlossen.
4 zeigt die Kolbenstellung kurz vor Ende des Expansionshubes. Die Schiebebüchse 9 ist bereits geöffnet und entlässt das verbrauchte Gas in den Auslasskanal 13, während die Schiebebüchse 10 den Einlasskanal noch geschlossen hält.
5 zeigt die Kolbenstellung im unteren Totpunkt. Beide Schiebebüchsen haben die Kanäle 13 und 14 geöffnet. Frisches Gas 20 durchspült über den Einlaßkanal 14 den Zylinder und fließt über den Auslasskanal 13 wieder ab.
6 zeigt die Kolbenstellung kurz nach Beginn des Kompressionshubes. Die Schiebebüchse 9 hat den Auslasskanal 13 bereits geschlossen, während über die noch geöffnete Schiebebüchse 10 Frischluft 20 über den Einlasskanal 14 den Zylinder füllt.
7 zeigt eine andere erfindungsgemäße Ausführung der Gaswechselsteuerung durch die Schiebebüchsen 9 und 10 und des Auslasskanals 13, sowie des Einlasskanals 14. Die Kolben laufen in einem nicht beweglichen Zylinder 20 und gelangen erst gegen Ende des Expansionshubes in die Schiebebüchsen 9 und 10
8 zeigt eine Kolbenstellung kurz vor Ende des Expansionshubes. Das verbrauchte Gas 21 beginnt über den gerade geöffneten Spalt durch die Schiebebüchse 9 in den Auslasskanal 13 zu strömen.
9 zeigt die Kolbenstellung im unteren Totpunkt. Frischgas 22 strömt durch den Einlasskanal 14 über den durch die Schiebebüchse 10 geöffneten Spalt durch den Zylinder und durch den Auslasskanal 13 hinaus.

Claims

Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, dass die Kolben während ihres Hubes ganz oder teilweise in während des Motorbetriebes mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch linear hin und her bewegten Schiebebüchsen geführt sind, wobei mittels dieser Schiebebüchsen unabhängig von der Kolbenstellung die in dem die Schiebebüchsen aufnehmenden Gehäuse liegenden Gasführungskanäle geöffnet oder geschlossen werden können.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 1 gekennzeichnet dadurch, dass die lineare Bewegung der Schiebebüchsen über je eine Nockensteuerung erfolgt, bestehend aus einem sich drehendem Nockenprofil und einer daran anliegenden mit der Schiebebüchse verbundenen Lauf- oder Rollfläche.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Achsen der die beiden Kurbelwellen des Gegenkolbenmotors verbindenden Zwischenräder als Nockenwelle zur Steuerung der Schiebebüchsen ausgeführt sind.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Schiebebüchsen direkt durch auf den Kurbelwellen angebrachte Nocken gesteuert werden.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 2 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Nockensteuerung zwangsgeführt ist, wobei eine von zwei gegenüberliegenden und mit der Schiebebüchse verbundenen auf dem Nockenprofil aufliegenden Flach- oder Rollenstößellaufflächen für die Öffnungsbewegung, die andere für die Schließbewegung zuständig ist.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 2 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass die Nockenwelle für die Steuerung gleichzeitig auch einen oder mehrere Nocken zur Steuerung der Einspritzung aufweist.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass der verschließende Spalt der Schiebebüchse mit dem darunter liegenden Ringkanal an eine beliebiger Stelle des Zylinders im Bereich zwischen oberen und unteren Totpunkt gelegt werden kann.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren, nach 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass der verschließende Spalt der Schiebebüchse mit dem darunter liegenden Ringkanal über dem inneren Umkehrpunkt der Kolbenringe liegt, die somit immer innerhalb der Schiebbüchse laufen.
Gaswechselsteuerung für Gegenkolbenmotoren nach 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass der verschließende Spalt der Schiebebüchse mit dem darunter liegenden Ringkanal innerhalb des Bereiches der Umkehrpunkte der Kolbenringe liegt, wobei der sich an der Stossstelle ergebende Spalt erst geöffnet wird, nachdem er von den Kolbenringen passiert wurde und dieser Spalt wieder verschlossen wird, bevor die Kolbenringe auf dem Weg zum oberen Totpunkt diese Stelle erneut passieren.