DE102006015647A1 - Gas exchange control for piston engines with sliding bushes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Gegenkolbenmotoren, deren Gaswechsel mittels gesteuerter Schiebebüchsen 1 und 2 erfolgt (siehe untenstehender Querschnittsausschnitt Fig. 1 eines Gegenkolbenmotors), welche ein von der Stellung der Kolben 3 und 4 unabhängiges Öffnen und Schließen von ringförmig um den Zylinder verlaufenden Ein- und Auslasskanälen 5 und 6 ermöglichen, wobei die gegenläufigen Kolben während ihres gesamten Hubes vom Äußeren zu dem Brennraum 7 einschließenden inneren Totpunkt mit ihren Kolbenringen, die durch die Büchsenbewegung sich öffnenden und schließenden Steuerschlitze nie im geöffneten Zustand überlaufen, wodurch die Nachteile von herkömmlichen schlitzgesteuerten Motoren, z. B. Ölabstreifung in die Schlitze und Aufspringen der Kolbenringe vermieden werden. Die Erfindung bezieht sich detalliert auf die Ausgestaltung von Antrieb und Abdichtung der mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch axial hin und her bewegten Schiebebüchsen.The invention relates to opposed-piston engines, the gas exchange of which is carried out by means of controlled sliding bushes 1 and 2 (see cross-sectional section below of FIG. 1 of an opposed-piston engine), which opens and closes inlet and outlet ducts 5 running in a ring around the cylinder independently of the position of the pistons 3 and 4 and 6 allow, the counter-rotating pistons during their entire stroke from the outside to the combustion chamber 7 including the inner dead center with their piston rings, the control slots opening and closing never overflow in the open state, thereby eliminating the disadvantages of conventional slot-controlled motors, e.g. B. Oil stripping in the slots and popping the piston rings can be avoided. The invention relates in detail to the design of the drive and sealing of the mechanically, electrically, pneumatically or hydraulically axially reciprocating sliding bushes.
Description
Die motorische Verbrennung von Kraftstoffen verursacht eine Reihe von Problemen hinsichtlich limitierter Ressourcen, Umweltbelastung und Klimaveränderung und hat deshalb auch zu einer Anzahl von Konzepten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren geführt. In der modernen Technologie heutiger Motoren mit innerer Verbrennung sind viele dieser Konzepte bereits 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 mit komplexer Einspritztechnik und elektronischem Motormanagement ist die Richtung bereits vorgegeben. Zu den Optimierungsmaßnahmen zählt auch die Reduzierung der Wärmeverluste, da alle durch Verbrennung erzeugte Wärme verloren ist, soweit sie nicht durch Gasexpansion in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Im Bestreben, einen solchen nahezu adiabatischen Motorbetrieb möglich zu machen, führt das Prinzip des Gegenkolbenmotors durch das Fehlen von Zylinderköpfen zum thermodynamischen Vorteil einer erheblich geringeren dem Arbeitsgas ausgesetzten wärmeabführenden Oberfläche. Deshalb bezieht sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich auf die Schiebebüchsen in Gegenkolbenmotoren, obwohl sie prinzipiell für alle schlitzgesteuerten Motoren angewendet werden kann.The Motor combustion of fuels causes a number of Problems related to limited resources, environmental impact and climate change and therefore also has a number of concepts for reduction the fuel consumption of internal combustion engines led. In the modern technology of today's engines with internal combustion Many of these concepts are already well implemented, for example the very low mechanical friction of the moving engine parts, so that there is hardly any potential for further optimization is. Significant progress, however, is still in the thermodynamic Area to achieve. Through the further development of direct injection for diesel engines with complex injection technology and electronic engine management the direction is already given. To the optimization measures counts too the reduction of heat losses, since all heat generated by combustion is lost as far as they are not be converted into mechanical work by gas expansion can. In an effort to achieve such near-adiabatic engine operation possible to do leads the principle of the piston engine due to the absence of cylinder heads for thermodynamic advantage of a significantly lower working gas exposed heat-dissipating Surface. Therefore, the present invention mainly relates to the sliding bushes in opposed piston engines, although they are in principle for all slot-controlled engines can be applied.
Gegenkolbenmotoren mit Schiebebüchsen können nicht nur im Zweitaktverfahren arbeiten, wo wegen der fehlenden Kopfplatte keine gesteuerten Ventile zur Regelung des Gaswechsels angebracht werden können. Die Kolben herkömmlicher Zweitaktmotoren laufen auf ihrem Weg vom inneren zum äußeren Totpunkt über im Zylinder befindliche Schlitze, wodurch die Ein- und/oder Auslasskanäle geöffnet werden und somit der Gaswechsel ermöglicht wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass die den Kolben abdichtenden Kolbenringe beim Überlaufen der Schlitze aufspringen und sich verhaken würden, so dass der Ringquerschnitt durch entsprechende Führungsstege eingeengt werden muss. Zudem ist wegen der ölabstreifenden 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 durch die Lage der Steuerschlitze vorgegebenen Steuerzeiten für den Gaswechsel ist nur durch die Einbringung anders positionierter Schlitze oder durch Verstellung des Synchronlaufes der Kurbelwellen möglich, d. h. die Kolben laufen zeitweise nicht mehr entgegengesetzt, sondern in die gleiche Richtung.Opposed piston engines with sliding sleeves can not only work in two-stroke, where due to the missing top plate no controlled valves are installed to control the gas exchange can. The pistons conventional Two-stroke engines run on their way from the inner to the outer dead center in the cylinder located slots, whereby the inlet and / or outlet channels are opened and thus allows the gas exchange becomes. A disadvantage of this procedure is that the piston sealing piston rings when overflowing Slits jump up and get caught, so the ring cross section through appropriate guide bars has to be narrowed down. In addition, because of the oil-repellent effect of Rings in the slots adhering to ever stricter emission requirements very much difficult. The use of ringless pistons is the trend ever higher peak pressures not indexed. A change the given by the position of the control slots timing for the Gas exchange is only through the introduction of differently positioned slots or by adjusting the synchronous operation of the crankshaft possible, d. H. the pistons run at times no longer opposite, but in the same direction.
Mit der Anmeldung beim DPMA Aktenzeichen 10 2004 032 452.2 ist eine Motorausführung bekannt, bei der ein Gaswechsel in Gegenkolbenmaschinen möglich ist, ohne dass die Kolbenringe über offene Schlitze laufen müssen. Dies wird dadurch ermöglicht, 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. Diese Art der Gaswechselsteuerung mittels Schiebebüchsen ermöglicht es, 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 inneren Totpunkt wird danach der Auslassschlitz geschlossen und der Einlassschlitz geöffnet, wobei durch die auseinander strebenden Kolben frisches Gas angesaugt wird. Im äußeren Totpunkt erfolgt dann das Schließen von Einlass und darauf wieder ein Kompressions- und Expansionshub bei geschlossenen Schlitzen. Die Trennstelle von Schiebebüchse und Kanal bildet somit die Steuerzeit bestimmende Steuerkante. Die gilt es so zu gestalten, dass sie auch hohem Zylinderdruck standhält.With the registration with the DPMA file number 10 2004 032 452.2 is one motor version known, in which a gas exchange in counter-piston machines is possible, without the piston rings over open Slots must run. This is made possible by that in the cylinder linearly movable sliding bushes are arranged, which open the annular channels located in the cylinder through an annular gap only when in the course of a stroke the ring section of the piston this place already has happened or this annular gap outside the reversal points of the piston rings lies so that it will not happen at all. This type of gas exchange control by means of sliding bushes allows it, opening and closing times of Inlet and outlet channels independently set by the respective piston position. Even a four-stroke procedure is thus possible after the expansion stroke of both pistons initially only the outlet slot open and the working gas during the leading to each other Piston movement ejected becomes. At the inner dead center, the outlet slot is then closed and the inlet slot opened, sucked by the diverging piston fresh gas becomes. In the outer dead center then the closing takes place from inlet and again a compression and expansion stroke when closed Slots. The separation point of sliding sleeve and channel thus forms the control time determining control edge. The thing is to make it that it can withstand high cylinder pressure.
Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe einer geeigneten Ausgestaltung der Steuerkante und der damit verbundenen Dichtstelle, sowie des gesamten Prinzips gesteuerter Schiebebüchsen zugrunde liegt, um deren bessere Umsetzung in die Praxis zu ermöglichen, zur Erzielung höherer Leistung, geringeren Verbrauchs und Gewichts, sowie besserer Emissionen und einer Standzeiterhöhung.Here now uses the invention, which has the object of a suitable embodiment the control edge and the associated sealing point, as well as the entire Principle of controlled sliding bushes basis for their better implementation into practice, to achieve higher Performance, lower consumption and weight, and better emissions and a lifetime increase.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Reihe von nachfolgend beschriebenen Maßnahmen, die einzeln oder miteinander kombiniert in vorteilhafter Weise diesem Ziel dienen.These Task is solved through a series of measures described below, individually or combined with each other in an advantageous manner this Serve the purpose.
Zunächst muss die durch die Büchsenbewegung bedingte Trennstelle zwischen Zylinderraum und Gasführungskanal dargestellt als Dichtstelle ausgeführt werden, dass sie auch gegen den herrschenden Zylinderdruck abzudichten vermag. Beispielsweise kann die Dichtstelle in der Art eines Ventilsitzes kegelförmig ausgeführt sein, wobei der Sitzwinkel im Bereich des bei Ventilkegeln üblichen, d. h. zwischen 60 und 120 Grad liegen sollte. Die Schiebebüchse wird, wie bei Ventilen üblich, mittels Federkraft gegen diesen Sitz gedrückt; denkbar ist auch ein durch Elektrik, Hydraulik oder Pneumatik erzeugter Andruck. Ein Nocken oder eine andere geeignete Betätigung hebt die Schiebebüchse vom Sitz ab und öffnet dadurch den Übertritt zum Gasführungskanal. Eine dem kegeligen Sitz vorgelagerte kurze zylindrische Passung kann so dimensioniert werden, dass durch den Gasdruck der – durch die entsprechende Bemessung der Wandstärke elastische – Büchsenrand, d. h. die Steuerkante, so aufgedehnt wird, dass er an dieser Passung zur Anlage kommt und somit eine zusätzliche Abdichtung herstellt. Da unter dieser Bedingung die Büchse nicht verschoben wird, wirkt sich dies nicht schädlich auf Reibung und Verschleiß aus. Gleichzeitig unterstützt dies den Büchsenrand gegen den hohen Gasdruck.First, the separation point between the cylinder space and the gas guide channel, which is caused by the sleeve movement, must be designed as a sealing point so that it can also be sealed against the prevailing cylinder pressure. For example, the sealing point in the manner of a valve seat may be tapered, wherein the seat angle should be in the range of usual in valve cones, ie between 60 and 120 degrees. The sliding sleeve is, as usual with valves, pressed by spring force against this seat; conceivable is also a pressure generated by electrical, hydraulic or pneumatic. A cam or other suitable actuator lifts the sliding sleeve off the seat and opens net thus the passage to the gas duct. A tapered seat upstream short cylindrical fit can be dimensioned so that by the gas pressure of - elastic by the appropriate design of the wall thickness - edge of the can, ie the control edge, is so expanded that it comes to this fit to the plant and thus an additional seal manufactures. Since under this condition, the sleeve is not moved, this does not adversely affect friction and wear. At the same time this supports the edge of the can against the high gas pressure.
Da diese Kurzpassung am Anfang der Öffnungsbewegung die Steuerkante der Schiebebüchse noch eine zeitlang überdeckt, wird der Öffnungsquerschnitt erst bei relativ hoher Geschwindigkeit, d. h. sehr schnell freigegeben, was große Zeitquerschnitte bei kurzen Steuerzeiten ermöglicht. So ist eine bessere Füllung und Entleerung des Zylindervolumens möglich. Durch eine Schrägung der Steuerkante ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten zur Beeinflussung der Gasströmung, weil der Kanal nicht an allen Umfangsstellen gleichzeitig geöffnet wird.There this short fit at the beginning of the opening movement the control edge of the sliding sleeve still covered for a while, becomes the opening cross section only at relatively high speed, d. H. released very quickly, something big Time cross sections with short control times allows. So is a better one filling and emptying of the cylinder volume possible. By a skew of the Control edge are additional options for influencing the gas flow, because the channel is not opened at all circumferential locations at the same time.
Eine variable Steuerzeit lässt sich durch eine axial verschiebbare Steuerkante erreichen, welche beispielsweise durch gewindeförmige Gestaltung ihrer Lagerung diese axiale Verstellung ermöglicht, indem sie bei Drehung eine schraubenförmige Bewegung ausführt und dadurch die Steuerkante verschiebt. Auch eine hydraulische Verstellung durch Druckbeaufschlagung auf den Stellring ist möglich. Das erlaubt, die Steuerzeit in Abhängigkeit von Drehzahl, Last oder anderen Stellgrößen ohne großen Aufwand zu optimieren. Auch hier kann die Steuerkante durch Abschrägung oder Abstufung eine zusätzliche Strömungsbeeinflussung bewirken. Obendrein kann durch Drehen der schrägen Steuerkante diese Strömungsbeeinflussung an verschiedene Stellen des Umfangs verlegt werden.A variable control time reach through an axially displaceable control edge, which, for example by thread-shaped Design of their storage allows this axial adjustment, by doing a helical movement when turning and thereby shifting the control edge. Also a hydraulic adjustment by pressurizing the collar is possible. The allowed, the tax time depending of speed, load or other variables without much effort to optimize. Again, the control edge by bevel or Gradation an additional flow Control cause. On top of this, by turning the inclined control edge, this flow influence be moved to different places of the circumference.
Eine optimale Ausnutzung des Hubvolumens ist dadurch möglich, dass kein Kurbelwellenversatz, d. h. kein zeitweiser Gleichlauf erforderlich ist. Der vollkommene Gegenlauf bedeutet auch den optimalen Massenausgleich.A optimal utilization of the stroke volume is possible because of no crankshaft offset, d. H. no temporary synchronization required is. The perfect mating also means the optimal mass balance.
Die Schiebebüchsen weisen eine hydrostatische Lagerung auf, die nicht nur ihre leichtgängige axiale Verschiebung ermöglicht, sondern auch eine in an sich bekannter Weise bei Ventilen übliche freie oder erzwungene Rotation. Diese Rotation kann sehr langsam erfolgen, z. B. eine Umdrehung bei 100.000 Hüben und hat dadurch nicht nur den Vorteil eines gleichmäßigeren und geringeren Sitzverschleißes, sondern ermöglicht auch die Verminderung des Verschleißes der Kolbenlauffläche durch Ausnutzung der gesamten vom Kolbenhub durchlaufenen Zylinderfläche. Für die hydrostatische Lagerung kann das ohnehin vorhandene Motorschmieröl verwendet werden, das auf die Rückseite der Schiebebüchsen geführt wird. Durch eine Dichtstelle, beispielsweise einen O-Ring, wird der Ölraum von den Gaskanälen getrennt. Es ist zweckmäßig, diese Dichtstelle, zumindest auf der Auslassseite zu kühlen, in dem die Kühlwasserführung entsprechend vorgenommen wird.The sliding sleeves have a hydrostatic bearing, which not only their smooth axial Shift allows but also in a conventional manner with valves usual free or forced rotation. This rotation can be very slow, z. B. one turn at 100,000 strokes and thus not only the advantage of a more even and less seat wear, but allows also the reduction of wear of the piston running surface Utilization of the entire cylinder surface traversed by the piston stroke. For the hydrostatic Storage can use the already existing engine lubricating oil Be that on the back the sliding bushes guided becomes. By a sealing point, such as an O-ring is the oil room separated from the gas channels. It is appropriate, this Sealing point, at least on the outlet side to cool, in which the cooling water flow accordingly is made.
Ebenso zweckmäßig ist es, die Sitze und Steuerkanten der Schiebebüchse, sowie deren Gegenstücke hinsichtlich Materialpaarung, chemischer oder thermischer Behandlung des Materials oder seiner Oberflächen zu optimieren, d. h. beispielsweise zu härten oder zu armieren, oder die Materialstruktur durch Umschmelzen oder Laserbehandlung zu verändern, um einen höheren Verschleißwiderstand zu erzielen.As well is appropriate it, the seats and control edges of the sliding sleeve, as well as their counterparts in terms Material pairing, chemical or thermal treatment of the material or its surfaces to optimize, d. H. for example, to harden or arm, or to change the material structure by remelting or laser treatment a higher one wear resistance to achieve.
Im Bereich des inneren Totpunktes zwischen den beiden bewegten Schiebebüchsen befindet sich der nicht zum verschiebbaren Bereich gehörende Teil der Zylinderlaufbahn. In diesem Teil sind die Bauteile zur Zündung und/oder Kraftstoffeinspritzung, beispielsweise Zündkerzen oder Einspritzdüsen angeordnet. Prinzipiell kann durch die Konstruktion der gesamte Umfang dafür genutzt werden, so dass beispielsweise auch mehrere Düsen tangential angebracht sind. Dies führt schon bei gar keinem oder nur geringem Drall zur optimalen Gemischaufbereitung. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt für alle Düsen gleichzeitig, oder wird zeitlich auf einzelne Düsen aufgeteilt, was mit moderner Technologie, beispielsweise Common Rail, ohne großen Aufwand möglich ist. Analog hierzu kann auch die Ansteuerung von Zündkerzen erfolgen.in the Area of internal dead center between the two moving sliding sleeves is located the non-displaceable part of the cylinder bore. In this part are the components for ignition and / or fuel injection, for example, spark plugs or injectors arranged. In principle, by the construction of the entire Extent for it be used, so that, for example, several nozzles tangential are attached. this leads to even with no or little twist for optimal mixture preparation. The Injection of fuel is done for all nozzles at the same time, or will divided temporally into individual nozzles, what with modern technology, such as common rail, without much effort is possible. Analogously, the control of spark plugs can be done.
Sehr vorteilhaft wirkt sich auch aus, dass durch das Nichtvorhandensein von schlitzüberlaufenden Ringen eine stegfreie Ausführung der Steuerschlitze möglich ist, oder die Stege – falls als Leitrippen zur Drallerzeugung nötig – soweit von der Eintrittstelle zurückgesetzt sind, dass keine Querschnittsverengung eintritt. Eine Wirkungsgradsteigerung ist bei diesem Prinzip besonders gut durch Abgasturboaufladung zu erreichen. Auch ist die Nutzung der Restwärme durch Absorptionskühlung möglich.Very advantageous also affects that by the absence of from slot overflowing Wrestling a web-free execution the control slots possible is, or the webs - if as Leitrippen for swirl generation necessary - as far as the entry point reset are that no cross-sectional constriction occurs. An increase in efficiency is particularly good at this principle by exhaust turbocharging to reach. The use of residual heat by absorption cooling is also possible.
Weitere Vorteile dieser Gegenkolbenmotor-Ausführung sind eine leichte Bauweise – insbesondere beim Zweitaktverfahren – und seine geringe Bauhöhe, die ihn als Unterflurmotor prädestinieren. Prinzipiell eignet sich die vorliegende Erfindung auch zum Betrieb eines Kompressors oder zum Pumpen von flüssigen Medien. Auch die Bewegung der Schiebebüchsen als ein Ganzes ist denkbar. Die Schiebebüchse würde in diesem Fall über den gesamten Hubbereich beider Kolben gehen und zur Freigabe der Schlitze nach der einen oder anderen Seite abwechselnd verschoben werden müssen.Further Advantages of this opposed piston engine design are a lightweight design - in particular in the two-stroke process - and its low height, who predestine him as a sub-engine. in principle The present invention is also suitable for operating a compressor or for pumping liquid Media. The movement of the sliding bushes as a whole is conceivable. The sliding sleeve would in this case over go the entire stroke of both pistons and release the Slits alternately shifted to one side or the other Need to become.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert, in denenin the Below, the present invention is based purely by way of example of the accompanying drawings, in which
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