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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des
Oberbegriffes des Anspruchs 1.
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Bei
konventionellen Viertaktmotoren bewirken die hin- und hergehenden
Kolben Massenkräfte die mit steigender Drehzahl potenziell
ansteigen und bei Betriebsdrehzahlen die Größenordnung
der Gaskräfte erreichen. Diese in den aneinander gereihten Zylindern
bestehenden Bewegungskräfte wirken sowohl in die Antriebsrichtung
als auch dieser entgegen; im Laufe einer Umdrehung heben sie sich
gegenseitig auf ohne Arbeit zu leisten. Damit wird aber der Motormechanismus überdurchschnittlich
hoch belastet, darüber hinaus bewirken sie einen hohen ungleichförmigen
Lauf der Motoren.
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Die
Kolbenkraft, die maßgebliche Größe für die
Leistung wie auch für die im Motor entstehenden mechanischen
Verluste, resultiert aus den im Zylinder herrschenden Kräften,
wobei beim Expansionshub den Massenkräften der Gasdruck,
beim Verdichtungshub der Kompressionsdruck entgegenwirkt. Durch
die Überlagerung dieser Kräfte wird das Motortriebwerk
bei die sen beiden Hüben wesentlich geringer belastet als
dies bei den beiden zusätzlichen Gaswechselhüben – Ausschieben
und Ansaugen – der Fall ist, da bei letzteren die Kolbenkraft
allein von den Massenkräften her bestimmt wird, die bei
Betriebsdrehzahlen, gegenüber den vorerwähnten
Hüben, bereits überproportional groß sind.
Während dieser beiden Gaswechselhübe verursachen
die quer zur Strömung liegenden Ventilteller zusätzlich hohe
Strömungsverluste, insbesondere werden beim Ausschieben
die Ventile glühend erhitzt, und verhindern beim Ansaugen
Turbulenzen eine vollständige Füllung des Hubraums.
Letzteres beeinträchtigt die Motorleistung in besonders
hohem Maße. Diesen Tatsachen zur Folge, wirken bei Viertaktmotoren
im Motortriebwerk mehr als viermal soviel Kräfte wie für den
Antrieb erforderlich sind, allein die beiden Gaswechselhübe
verursachen dabei zusammen mit den hohen Strömungswiderständen
der Ventile einen Großteil der inneren Motorverluste.
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Bei
Zweitaktmotoren entfallen diese Gaswechselhübe, bei dieser
Motorkonstruktion gibt der Kolben im unteren Bereich des Zylinders
Steuerschlitze frei über die der Austausch der verbrannten Gase
durch Frischluft in einem Zuge erfolgt. Dies ist möglich,
weil über einen verhältnismäßig
großen Kurbelwinkelbereich um den unteren Totpunkt (UT) herum
der Kolben einen nur geringen Kolbenweg zurücklegt, die
behinderungsfreien Steuerschlitze eine laminare Strömung
gewähren, die den Hubraum verlustarm durchspült,
und weil durch schnelleres Öffnen und Schließen
der Steuerschlitzquerschnitte im Vergleich zu gleichgroßen
Ventilquerschnitten in der Zeiteinheit größere
Gasmengen strömen können. Wegen des symmetrischen
Kolbenlaufs über den UT hinweg besteht aber eine gleichzeitige
Steuerung von Aus- und Einlass, die einem vollständigen
Gaswechsel durch dabei entstehende Fehlströme contrafunktional
entgegenwirkt. Bei den immer höheren Leistungsansprüchen
und den immer schärferen Abgasbedingungen, gereichte das
Fehlen einer funktionsgeeigneten Gaswechselsteuerung dem Zweitaktmotor
immer mehr zum Nachteil, wodurch eine in vieler Hinsicht überaus
vorteilhafte Motorkonstruktion heute bei der Großzahl der
Nutzfahrzeuge völlig verdrängt wurde.
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In
der
DE 44 04 121 A1 ist
ein Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art angegeben, der
in ersten Ansätzen eine Weiterentwicklung der bekannten
Motorentechnik darstellt mit dem Ziel, die oben geschilderten Nachteile
zu vermeiden. In
3 dieser Druckschrift ist dabei
ein Motor mit einer Tandemkolbenanordnung gezeigt, der in den jeweiligen
Verbrennungsräumen nach dem Zweitaktprinzip arbeitet, allerdings
noch immer auf die aus der Bauweise herkömmlicher Zweitaktmotoren
bekannte Vorverdichtung in einem jenseits des eigentlichen Hubraumes
gelegenen „rückwärtigen" Kolbenraum zurückgreift.
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Auch
wenn in dem in dieser Druckschrift offenbarten Motor bereits viele
vielversprechende Ansätze enthalten sind, so gilt es doch,
noch weitere Verbesserungen voranzutreiben. Insbesondere kann bei
dem in der oben genannten 3 der genannten Druckschrift
gezeigten Motor eine vorteilhafte und bei üblichen Viertaktmotoren
verwendete Ölschmierung des Kurbelwellengehäuses
nicht erfolgen, da dieses Kurbelwellengehäuse wie bei herkömmlichen
Zweitaktmotoren üblich für die Vorverdichtung
der Verbrennungsluft bzw. des Verbrennungsgemisches genutzt wird.
Dieser Motor müsste also wie die herkömmlichen
Zweitaktmotoren über einen dem Kraftstoff zugegebenen Schmiermittelzusatz
geschmiert werden, was zum einen hinsichtlich der Schmierung ineffizient
zum anderen aus ökologischen Gesichtspunkten wegen der
teilweisen Mitverbren nung bzw. wegen des Ausstoßes nicht
verbrannter Schmierstoffreste in dem Motorenabgas unerwünscht
ist.
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Entsprechend
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wie aus der
DE 44 01 121 A1 bekannten
Verbrennungsmotor dahingehend weiterzuentwickeln, dass die eingangs
geschilderten Nachteil der derzeit üblichen Standardmotorentechnik
vermieden werden können, wobei insbesondere eine energieeffiziente
und rückstandsarme Verbrennung in den Hubräumen
möglich sein soll und zugleich eine wie bei herkömmlichen
Viertaktmotoren bekannte Schmierung des Kurbelwellengehäuses
mittels eines Ölsumpfes.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen
ein Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors sind in den abhängigen Unteransprüchen
2 bis 11 angegeben.
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Erfindungswesentlich
und für die Weiterentwicklung des aus der
DE 44 01 121 A1 bekannten Motors
relevant ist die Tatsache, dass anders als bei dem vorbekannten
Verbrennungsmotor bei dem erfindungsgemäßen Motor
für jeden der an die Zwischenwand angrenzenden Hubräume
wenigstens zwei Steuerkanäle vorgesehen sind, die jeweils
mit einem ersten Ende im Bereich der Zwischenwand in dem zugeordneten
Hubraum münden und jeweils mit einem zweiten Ende mit Steueröffnungen
in der Ummantelung in Überdeckung bringbar sind. Durch
diese genannte Lösung kann der erfindungsgemäße Motor
nämlich ausschließlich von der Ebene der Zwischenwand
her angesteuert und betrieben werden, wobei zwei einander entlang
der Zwischenwand gegenüberliegende Hubräume gleichermaßen
spiegelbildlich genutzt werden.
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Insbesondere
dann, wenn zwei einander über eine Zwischenwand gegenüberliegende
Hubräume bzw. die darin angeordneten Kolben über
ein Zweitaktverfahren betrieben werden, kann bei abwechselnd gesteuerten
Arbeitstakten in zwei einander gegenüberliegenden Hubräumen
mit jedem Takt des Motors ein Arbeitstakt erzielt werden.
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So
schafft man bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
eine Konstruktion bei der den Massenkräften bei jedem Hub
Gaskräfte entgegenwirken, wodurch sich die Massenkräfte
sozusagen im Hochdruck der Gase „auflösen" und
als mechanische Belastung nicht mehr wirksam werden können.
Die aus der Resultierenden der beiden Kräfte bestehende
Kolbenkraft, ist dabei nicht nur deutlich geringer als die Kolbenkraft
bei den Wechselhüben eines Viertaktmotors, sie wirkt über
den Kurbelmechanismus dabei auch stets in Drehrichtung, wodurch
keine negativen Drehmomente mehr entstehen. Damit entfällt der
Großteil der Reibungsverluste wie auch der hohe Ungleichförmigkeitsgrad
der Motoren.
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Besonders
einfach erreicht man einen Betrieb der entlang der Zwischenwand
einander gegenüberliegenden Hubräume nach dem
Zweitaktverfahren, wenn der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor
wie gemäß einer in Anspruch 2 angegebenen, vorteilhaften
Weiterbildung ausgebildet ist.
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Hier
sorgen die geometrisch entsprechend ausgeführten und angeordneten
Gaseinlass- und Gasauslassöffnungen im Zusammenwirken mit
den Steuerkanälen für eine gleichzeitige Schaltung
der Gaseinlasses und Gasauslasses, wie sie für einen Betrieb
nach dem Zweitaktverfahren zwingend erforderlich ist.
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In
einer vorteilhaften, in Anspruch 3 genannten Variante zu der zuletzt
beschriebenen Weiterbildung ist vorgesehen, die Geometrie aus Gaseinlass- und
Gassauslassöffnungen sowie Steuerkanälen so zu
bestimmen, dass im Betrieb zeitlich versetzt zunächst der
Gasauslass und anschließend erst der Gaseinlass mit dem
jeweiligen Hubraum verbunden wird. Mit dieser versetzten Ansteuerung
wird die Ausbildung einer definierten Strömung in dem Hubraum erheblich
begünstigt, so dass es zu einem weitgehend vollständigen
Gasaustausch während der Gaswechselphase kommt. Gerade
diese Möglichkeit der Steuerungsanpassung des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors, die bei einem Zweitaktverbrennungsmotor der
herkömmlichen Bauart nicht gegeben ist, bildet gegenüber
zum Stand der Technik bekannten Zweitaktlösungen einen
wesentlichen Vorteil.
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Im
Gegensatz zum konventionellen Zweitaktverfahren gewährleistet
die dabei neue Konstruktion eine dem Verbrennungsverlauf entsprechend funktionsgerechte
Gaswechselsteuerung, ohne dass dabei störende Fehlströme
entstehen. Dies ist durch die zusätzliche Bewegungsfunktion
des rotierenden Zylinders möglich, über dessen
Rotation die Steueröffnungen vergleichbar den separat angetriebenen Ventilen
eines Viertaktmotors „geschaltet" werden. Viele vergebliche
Versuche, mittels Schieber oder auch Ventilen eine für
die herkömmlichen Zweitaktmotoren geeignete Steuerung zu
finden, scheiterten stets an den filigranen und oft komplizierten
Eigenschaften dieser Mechanismen.
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Bei
der Erfindung wird diese Steuerung mittels des rotierenden Zylinders
erhalten, der ohne zusätzlicher Mechanismen alleine durch
seine Drehung und das damit verbundene Öffnen und Verschließen der
Steueröffnungen eine den Gaswechselbedingungen genau angepasste
Steuerung ermöglicht. Darüber hinaus lässt
sich die im rotierenden Zylinder herrschende Fliehkraft vorteilhaft
nutzen, um eine gegenüber einem fest stehenden Zylinder
verbesserte Verteilung des Luft-/Kraftstoffgemisches zu erhalten.
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Eine
besonders einfache und Bauraum einsparende Konstruktion des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors ergibt sich, wenn diese gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung gebildet ist, wie sie in Anspruch 4
bezeichnet wird. Demnach liegen sämtliche Steueröffnungen
für entlang einer Zwischenwand benachbarte Hubräume
innerhalb einer gemeinsamen Ebene, innerhalb derer auch die Zwischenwand
zwischen benachbarten Hubräumen verläuft. Die
Steuerkanäle verlaufen innerhalb der Zwischenwand und enden
mit einer ersten Öffnung in der Zylinderseitenwand in just
der Ebene, innerhalb der die Steueröffnungen liegen, mit
einer zweiten Öffnung enden sie in einer Öffnung
in der Zwischenwand auf der dem jeweils zugeordneten Hubraum zugewandten
Seite.
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Bei
dieser Konstruktionsvariante kann die gesamte Motorsteuerung für
zwei benachbarte Hubräume aus einer Ebene, innerhalb derer
die Zwischenwand liegt her geschehen und zwar mit Steueröffnungen,
die jeweils für die beiden an die Zwischenwand angrenzenden
Hubräume gleichermaßen Verwendung finden.
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In
den Ansprüchen 5 und 6 sind vorteilhafte Weiterbildungen
der zuletzt genannten bevorzugten Lösung dargestellt.
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Insbesondere
ist eine wie in Anspruch 6 genannte Lösung von Vorteil,
nach welcher die ersten Öffnungen jeweils eines einem der
Hubräume zugeordneten Steuerkanalpaares einander diametral
gegenüber liegen und jeweils paarweise auf einer Achse,
welche Achsen aufeinander senkrecht stehen. Diese Bauart erlaubt
eine sehr einfache Relation zwischen Motordrehzahl und der Drehzahl
des rotierenden Zylinders, die nämlich genau die Hälfte
der Motordrehzahl betragen muss, um den Motor entsprechend der Zweitaktsteuerung
richtig anzu steuern (vgl. Anspruch 7). Die Steuerung der Drehzahl
des rotierenden Zylinders kann selbstverständlich auf jede
beliebige Weise, z. B. durch eine elektronische Steuerung, erfolgen,
die wird jedoch aufgrund der Robustheit einer solchen Steuerung
und der Einfachheit der Umsetzung bevorzugt mechanisch über
einen entsprechenden Abgriff an der von der mit den Kolben verbundenen
Pleuelstange angetriebenen Kurbel und einer Drehzahlreduzierung über
ein mechanisches Getriebe realisiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors ist in Anspruch 8 angegeben. Demnach ist unter
den Steueröffnungen zumindest eine Öffnung mit
einer darin angeordneten Zündeinrichtung. Über
eine solche Öffnung kann aus der den rotierenden Zylinder
umgebenden Ummantelung heraus durch den jeweiligen Steuerkanal eine
Zündung des in dem dem Steuerkanal zugeordneten Hubraum
befindlichen Luft-/Kraftstoffgemisches initiiert werden, ohne dass
hierzu weitere, nicht über die Steuerkanäle realisierte
Zugänge zu dem Zylinder geschaffen werden müssen.
Zudem bedingt die nicht permanent vorhandene Verbindung des Steuerkanals
mit der Steueröffnung, in welcher die Zündeinrichtung
angeordnet ist, dass diese nicht durch etwa zu ihr vordringende
Abgase belastet wird und z. B. verrußt oder verschmutzt,
wie dies bei Zündkerzen in herkömmlichen Viertaktmotoren
vorkommen kann. Auf ähnliche Weise kann in den Steueröffnungen
zumindest eine Öffnung mit einer darin angeordneten Einspritzeinrichtung
zum Einspritzen von Kraftstoff oder eines Kraftstoffgemisches enthalten
sein. Auch diese kann bei einer Verbindung mit dem jeweiligen Steuerkanal
den Kraftstoff bzw. ein Kraftstoffgemisch (z. B. Kraft-/Luftgemisch)
gezielt in den jeweiligen Hubraum einspritzen, wobei die Steueröffnung
bei einer weiteren Rotation des Zylinders von dem Steuerkanal wieder
getrennt und somit die Einspritzeinrichtung von den Verbrennungsabgasen abgeschottet
ist.
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Schließlich
ist es von Vorteil, wenn wie gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Bereich der Steueröffnungen
zwischen dem Zylinder und der Ummantelung eine Dichtung vorgesehen
ist. Diese sollte vorzugsweise berührungslos dichtend sein,
um etwaige bei der fortwährenden Rotation des Zylinders
zwangsläufig auftretende Abnutzungen und Verschleiß aufgrund
von Reibung auszuschließen. Als mögliche Dichtungen kommen
hier insbesondere Labyrinthdichtungen in Frage.
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Insbesondere,
wenn der erfindungsgemäße Motor im Zweitaktverfahren
betrieben wird und hierzu wie in Anspruch 2 angegeben ausgebildet
ist, kann eine wie bei herkömmlichen Zweitaktmotoren im
Kurbelgehäuse erfolgende Vorverdichtung im Zylinder selbst
bzw. in direkten Anbauteilen nicht vorgenommen werden, weshalb vorteilhafter
Weise eine Einrichtung zur Vorverdichtung der den Hubräumen
zuzuführenden Frischluft vorgesehen werden kann. Eine solche
Einrichtung kann dabei z. B. ein Kompressor oder aber eine über
eine Abgasturbine betriebene Vorverdichtungseinrichtung sein.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten
Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Kolben-Zylinder-Anordnung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
in einer möglichen Ausführungsvariante;
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2 eine
in der Ebene der Zwischenwand genommene Schnittdarstellung der Anordnung
aus 1;
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3a) bis c) in drei 1 vergleichbaren Darstellungen
die Kolben-Zylinder-Anordnung in verschiedenen Stellungen während
des Betriebes;
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4a) bis c) in sechs 2 vergleichbaren Darstellungen
die Kolben-Zylinder-Anordnung in den in 3a) bis
c) gezeigten verschiedenen Stellungen während des Betriebes
in jeweils zwei Funktionsdarstellungen für das dem ersten
bzw. zweiten Hubraum zugeordnete Steuerkanalpaar;
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5 in
einer vergrößerten Darstellung den Bereich eines
Gasauslasses der Kolben-Zylinder-Anordnung und
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5a) eine entlang der in 5 mit A-A
bezeichneten Schnittlinie genommene Schnittansicht.
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In
den Figuren ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung als Herzstück
eines erfindungsgemäß gebildeten Verbrennungsmotors
dargestellt. Die Figuren sind dabei rein schematisch zu verstehen
und insbesondere nicht maßstabsgerecht.
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In
den 1 und 2 ist in zwei unterschiedlichen,
entlang zueinander senkrecht stehender Schnittebenen genommenen
Schnittdarstellungen als eine Ausführungsvariante eines
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors eine Kolben-Zylinder-Anordnung
gezeigt mit einem einfach unterteilten Zylinder 1, der
in einem Zylindergehäuse bzw. einer Ummantelung 2 um
eine Zylinderlängsache L rotierbar gelagert ist. In dem
Zylinder sind durch eine darin angeordnete Zwischenwand 3 zwei
getrennte Hubräume 4 und 5 gebildet,
in denen jeweils ein Kolben 6 und 7 angeordnet
ist. Die beiden Kolben 6 und 7 sind in Tandembauweise
auf einer gemeinsamen, die Kolben mit festem axialen Abstand verbindenden Kolbenstange 8 angeordnet.
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In
der Zwischenwand 3 des Zylinders 1 sind Steuerkanäle 9a, 9b; 10a, 10b (vgl. 2)
ausgebildet, die jeweils mit einem ersten Ende an der Zylindermantelwand
münden mit Öffnungen, die (bezogen auf deren Mittelpunkte)
allesamt in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Steuerkanäle
sind ferner paarweise so angeordnet, dass die in der Zylindermantelwand
liegenden Öffnungen eines Paares jeweils einander entlang
einer Verbindungslinie diametral gegenüber liegen, und
die beiden Verbindungslinien sind entlang des Durchmessers der Zwischenwand 3 um
90° radial versetzt. Ferner münden die Steuerkanäle 9a, 9b bzw. 10a, 10b eines
Paares mit ihren jeweils zweigen Öffnungen durch eine Stirnseite
der Zwischenwand 3 in jeweils einem der beiden an die Zwischenwand 3 angeschlossenen
Hubräume 4 und 5. Es münden
also die Steuerkanäle 9a, 9b des ersten
Paares in dem Hubraum 5 und die Steuerkanäle 10a, 10b des
zweiten Paares in dem Hubraum 4.
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In
der Ummantelung 2 sind schließlich in der Ebene
der Zwischenwand 3, genauer in der Ebene, in der die in
der Zylindermantelwand liegenden Öffnungen der Steuerkanäle 9a, 9b; 10a, 10b ausgebildet
sind, diverse Steueröffnungen angeordnet, die mit den letztgenannten Öffnungen
der Steuerkanäle 9a, 9b; 10a, 10b während
der Rotation des Zylinders 1 in der Ummantelung 2 in
Verbindung gebracht werden. Zu diesen Steueröffnungen gehören
zunächst ein Gaseinlass 11 und ein Gasauslass 12,
die einander in etwa diametral gegenüberliegend angeordnet sind,
allerdings um einen Winkel α zueinander versetzt, und zwar
so, dass der Gasauslass 12 um diesen Winkel α entgegen
dem Drehsinn D des Zylinders verschoben ist.
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Weitere
Steueröffnungen sind einander exakt diametral gegenüberliegende Öffnungen,
in denen sich Einspritzvorrichtungen 13 und Zündvorrichtungen
(Zündkerzen) 14 befinden, und die bei der Rotation
des Zylinders 1 ebenfalls sukzessive mit den in der Zylindermantelwand
liegenden Öffnungen der Steuerkanäle 9a, 9b, 10a, 10b verbunden
werden.
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Im
Bereich der Ebene der Zwischenwand 3 ist unter Auslassung
der Steueröffnungen zwischen Zylinder 1 und Ummantelung 2 eine
Dichtung 15 angeordnet, die aus Gründen der einfacheren
Wartungs- und Reparaturmöglichkeit ebenso wie die Ummantelung 2 segmentweise
aufgebaut sein kann.
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In 1 ist
schließlich noch dargestellt, wie der Zylinder 1 in
der Ummantelung 2 mittels beispielhaft gezeigter Lager 16 drehbar
gelagert ist. Diese Lager können je nach Auslegung Wälz-,
Rollen-, Kugel- oder sonstige Lager sein. In 1 ist schließlich auch
zu erkennen, wie der Kolben 7, der als herkömmlicher
Tauchkolben geformt ist, an seinem dem Hubraum 5 abgewandten
Ende an ein Pleuel 17 anschließt, welches in bekannter
Weise an eine Kurbel angelenkt ist.
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Ober
einen hier nicht dargestellten mechanischen Abgriff an der Kurbel
und eine entsprechend über ein Getriebe geschaffene Untersetzung
wird der Zylinder 1 mit exakt der halben Drehzahl der Motordrehzahl
in der Ummantelung 2 zur Rotation angetrieben.
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In
den 3a) bis c) sowie 4a) bis
c) sind Darstellungen der Kolben-Zylinderanordnung zu unterschiedlichen
Betriebszeitpunkten wiedergegeben, wobei die 4a) bis
c) Schnittdarstellungen durch die Ebene der Zwischenwand 3 in
den jeweils in den entsprechenden 3a) bis
c) wiedergegebenen Betriebsstellungen/Betriebszeitpunkten sind.
In den 4a) bis c) sind jeweils funktional
unterteilt oben die zu dem in den 3a) bis
c) oben dargestellten Hubraum 4 führenden Steuerkanäle 10a, 10b hervorgehoben,
unten die zu dem unteren Hubraum 5 führenden Steuerkanäle 9a, 9b.
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In
den 3a) und 4a) ist
eine Situation dargestellt, in der der Zylinder 1 innerhalb
der Ummantelung eine solche Drehstellung einnimmt, dass die in den
Hubraum 5 mündenden Steuerkanäle 9a und 9b mit
dem Gaseinlass 11 bzw. dem Gasauslass 12 verbunden
sind. Zugleich sind die in den Hubraum 4 mündenden
Steuerkanäle 10a und 10b jeweils mit Steueröffnungen
verbunden, in denen die Zündeinrichtungen 14 angeordnet
sind. In dieser Stellung des Motors findet in dem Hubraum 5 ein
Gasaustausch statt, in dem Hubraum 4 wird das Luft/Kraftstoff
Gemisch gezündet. Damit dies so ausgeführt werden kann,
sind die Steueröffnungen mit den Zündeinrichtungen 14 auf
einer Durchmesserachse der Ummantelung 2 angeordnet, die
lotrecht auf der Achse der Gaseinlassöffnung 11 steht.
In dem Hubraum 4 wird im weiteren Verlauf der Motorbewegung
durch die Expansion der Verbrennungsgase Arbeit geleistet, der Kolben 7 im
Hubraum 5 wird durch die Kolbenstange 8 mitgeführt
und verdichtet das Gemisch in dem Hubraum 4. In der in
den 3b) und 4b) gezeigten
Motorstellung wird dann kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes
des Kolbens 7 über die Steueröffnungen
mit den Einspritzeinrichtungen 13, die einander wiederum
entlang einer Durchmesserachse der Ummantelung 2 diametral
gegenüberliegen Kraftstoff bzw. ein Kraftstoffgemisch in
die Steuerkanäle 9a, 9b und somit in
den Hubraum 5 eingebracht. Der Kolben 6 in dem
oberen Hubraum 4 verrichtet nach wie vor Arbeit. Nach abschließender
Verdichtung erreicht der Kolben 7 im Hubraum 5 den
oberen Totpunkt, und die Steuerkanäle 9a, 9b werden
mit den Steueröffnungen der Zündeinrichtungen 14 verbunden,
das verdichtete Luft/Kraftstoff Gemisch in diesem Hubraum 5 wird
gezündet. Der Kolben 6 in dem Hubraum 4 hat
indes den „unteren Totpunkt" erreicht, in dem der Hubraum 4 maximal
ausgedehnt ist. In dieser Stellung öffnen die Steuerkanäle 10a, 10b zu
den Steueröffnungen des Gaseinlasses 11 bzw. des
Ga sauslasses 12. Nun verrichtet im weiteren Verlauf der
Kolben 7 Arbeit, während der Kolben 6 mitgerissen
wird.
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Der
erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist also in
diesem Ausführungsbeispiel gleichermaßen ein aus
zwei gekoppelten, gegenläufig arbeitenden Zweitaktmotoren
zusammengesetzter Motor, der so bei jedem Takt Arbeit verrichtet
und als „Eintaktmotor" bezeichnet werden kann.
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Durch
die symmetrische Anordnung der Steuerkanalpaare 9a, 9b und 10a, 10b in
einem „Steuerkreuz" wird in beiden der Hubräume 4 und 5 eine
Querkopfgleichstromspülung geschaffen. Dabei drehen die
Steuerkanalpaare 9a, 9b und 10a 10b an äquivalenten
Anschlüssen der ebenfalls sich gegenüberliegenden
Gaseinlass- und Gasauslassöffnungen 11 und 12 vorbei,
womit die Hubräume 4, 5 abwechselnd von
einem zuvor über ein angepasstes Mittel (einen Kompressor
bzw. eine Abgasturbine) aufgeladenen Spülstrom über
nur einen Gaskanalstrang durchgespült werden. Der dabei
für einen funktionsgerechten Gaswechsel vorteilhafte Vorlauf von
Gasauslass Öffnen gegenüber Gaseinlass Öffnen
wird durch eine radiale Verschiebung des gegenüberliegenden
Gasauslasses 12 relativ zu der Durchmesserachse des Zylinders 1 bzw.
der Ummantelung 2 um einen Winkel α von einigen
Kurbelwinkelgraden entgegen der Drehrichtung des Zylinders 1 erreicht, womit
der für den Beginn des Gaswechsels wichtige Strömungsimpuls
die verbrannten Gase zunächst in Richtung Gasauslass 12 strömen
lässt, bevor Frischluft durch den Gaseinlass 11 nachströmen
kann.
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Nach
Gasauslass Öffnen beginnt der Gaswechsel durch das Expandieren
des im Hubraum noch bestehenden Oberdrucks in Richtung Gasauslass 12,
nach folgendem Gaseinlass Öffnen wird der vom Gaseinlass 11 her
waagerecht verlaufende Spülstrom zunächst über
den jeweiligen Steuerkanal senkrecht in den zugehörigen
Hubraum geleitet, dort von der Kolbenfläche zurück
zum zweiten Steuerkanal des jeweiligen Steuerkanalpaares gelenkt
und strömt dann, unterstützt von den restlich
expandierenden Abgasen waagerecht in den Gasauslass 12. Nach
dem durch den Winkelversatz um α zeitlich zuerst erfolgenden
Gasauslass Schließen füllt der laminare Spülstrom
vollständig den Hubraum, bis auch der Gaseinlass 11 schließt.
Anschließend beginnt dann die Kompression. Um das Gaseinlass-Schließen
einige Kurbelwinkelgrade später vollziehen zu können,
kann der Gaseinlass 11 radial auch etwas breiter als die
jeweilige Öffnung der Steuerkanäle in der Mantelwand
des Zylinders 1 ausgeführt sein, wodurch der Einlass
länger geöffnet bleibt und so ein zusätzliches
Nachfüllen des jeweiligen Hubraums möglich wird.
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In
den beiden Hubräumen 4, 5 wirken die Gaskräfte
nicht nur von oben nach unten, sondern abwechselnd auch von unten
nach oben den Massenkräften der bestehenden Kolbenkombination
entgegen. Durch die Überlagerung beider Kräfte
können die Massenkräfte so den Verbrennungsmotor
mechanisch nicht mehr belasten. Mit dieser Bauart wird ein Doppelhubzylinder
geschaffen der unter Anwendung des Zweitaktverfahrens bei jedem
Takt Arbeit leistet.
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Die
Bewegung der dabei bestehenden Kolbenkombination wird nur noch über
den Pleuel 17 mittels einer einfachen Kurbel in Drehbewegung
umgesetzt, wobei auch die Pleuelstangenbelastung aus schon genannten
Gründen geringer ist als bei konventionellen Motoren, eine
mehrere Zylinder verbindende Kurbelwelle entfällt. Ein
solcher Zylinder kann funktionstechnisch gesehen als Eintaktzylinder
bezeichnet werden, er ist der ideale Kolbenmotor, da er bei minimalen
inneren Verlusten naturgemäß die höchst
mögliche Effizienz erzielt und dies bei geringstem technischen
Aufwand.
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In 5 und 5a sind
die abzudichtenden Öffnungen der Steuerkanäle
am äußeren Zylinderumfang am Beispiel des Steuerkanals 9a gezeigt. Eine
Dichtung 15 in Form einer Dichtungsmanschette umschließt
im Bereich der genannten Öffnungen den rotierenden Zylinder 1,
der in der Ummantelung 2 berührungsfrei dreht.
Die Dichtung 15 wirkt berührungslos über
eine Labyrinthdichtung, wozu sie quer zur Drehrichtung über
die Höhe der Öffnungen der Steuerkanäle
mit vertikalen Nuten versehen ist, die gegen ein Entweichen der
Gase über den Spalt zwischen Ummantelung 2 und
rotierenden Zylinder 1 in radialer Richtung wirken. In
axialer Richtung werden die Öffnungen der Steuerschlitze
oben und unten mit ebenfalls in der Dichtung 15 ausgebildeten
verzahnten Labyrinthdichtungen abgedichtet. Die Dichtungsmanschette
wird über eine seitlich montierte Öffnung in der
Ummantelung in mehreren einzelnen Sektionen eingebracht, um sie
warten zu können ohne den Motor zerlegen zu müssen.
Diese Sektionen bestehen aus verschiedenen Materialien, womit sie
den verschieden herrschenden Wärmebelastungen über den
Umfang des Zylinders 1 angepasst werden können.
Bei einer Verwendung in Kraftfahrzeugen ist die Ummantelung 2 quer
zur Fahrtrichtung im Bereich der Kühlrippen des rotierenden
Zylinders 1 offen ausgeführt, damit der Zylinder 1 vom
Fahrtwind luftgekühlt werden kann.
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Im
Gegensatz zu selbstansaugenden Viertaktmotoren benötigen
Zweitaktmotore eine aufgeladene Spülluft, die beim konventionellen
Zweitaktmotor mit der Kolbenunterseite während des Expansionshubs
im Kurbelraum erzeugt wird. Bei der vorgestellten Konstruktion muss,
wie bereits angedeutet, die Spülluft mittels eines separaten
Aggregats erbracht werden, wofür bei niedrigen Drehzahlen
ein Kompressor, bei höheren Drehzahlen eine Abgasturbine
geeignet ist. Diese Zusatzaggregate werden zur Leistungssteigerung
bei modernen Vier taktmotoren schon heute eingesetzt und bestehen
bereits in ausgereiften Ausführungsformen.
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Da
bei dieser Steuerungstechnik der Spülvorgang wie bei der
Ventilsteuerung über den Zylinderkopf geregelt wird, kann
die Motormechanik in konventioneller Weise über eine Druckumlaufschmierung
von einer mit Öl gefüllten Kurbelwanne aus versorgt
werden. Das heikle Problem der Schmierung, wie es bei herkömmlichen
Zweitaktmotoren aufgetreten ist, entfällt.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt lediglich eine mögliche
Variante eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
zu dem es viele denkbare Ausgestaltungsformen gibt. Z. B. ist ohne
weiteres denkbar, anstelle der gezeigten zwei Hubräume vier,
sechs, acht usw. Hubräume mit jeweiligen Zylindern axial
aneinander zu reihen, die jeweils paarweise wie oben gezeigt gebildet
sind und gesteuert werden.
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Der
Umfang der Erfindung soll daher durch die gezeigten Ausführungsbeispiele
nicht beschränkt werden, und ist durch die nachfolgenden
Patentansprüche gegeben.
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- 1
- Zylinder
- 2
- Ummantelung
- 3
- Zwischenwand
- 4
- Hubraum
- 5
- Hubraum
- 6
- Kolben
- 7
- Kolben
- 8
- Kolbenstange
- 9a,
b
- Steuerkanal
- 10a,
b
- Steuerkanal
- 11
- Gaseinlass
- 12
- Gasauslass
- 13
- Einspritzvorrichtung
- 14
- Zündvorrichtung
- 15
- Dichtung
- 16
- Lager
- 17
- Pleuel
- D
- Drehsinn
- L
- Zylinderlängsachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4404121
A1 [0005]
- - DE 4401121 A1 [0007, 0009]