DE102009053723A1

DE102009053723A1 - Gegenkolbenmotor mit Gaswechselsteuerung über hydrostatisch bewegte Schiebebüchsen

Info

Publication number: DE102009053723A1
Application number: DE102009053723A
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.-Ing. Daude; Günter Elsbett
Original assignee: Daude Otto Dr-Ing Mba
Current assignee: Daude Otto Dr-Ing Mba
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Gegenkolbenmotor mit Gaswechselsteuerung über Schiebebüchsen, wobei die Schiebebüchsen an ihrem äußeren Umfang wie Stufenkolben ausgeführt sind und dadurch als Nehmerkolben betrieben werden können. Als Geberkolben dient ein durch einen Nocken bewegter Stößel. Zwischen Geber- und Nehmerkolben befindet sich eine hydraulische Flüssigkeit in einem geschlossenen Leitungssystem. Mittels hydrostatischen Druckaufbaues kann die zwischen Geber- und Nehmerkolben eingeschlossene Flüssigkeitssäule hin und her verschoben werden, wodurch mit den Schiebebüchsen die Gaswechselorgane geöffnet und geschlossen werden können.

Description

Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung bei Gegenkolbenmotoren geeignet. Diese arbeiten im Allgemeinen im Zweitaktverfahren. Dabei bewegen sich 2 Kolben gegenläufig in einem gemeinsamen Zylinder, an dessen beiden Enden Kurbelwellen angeordnet sind, welche über ein entsprechendes Getriebe synchronisiert sind und welche die Hubbewegungen der Kolben in bekannter Weise über Pleuel und Kurbelzapfen in eine Drehbewegung umwandeln.
Der Gaswechsel erfolgt dabei durch die Kolben, welche im Hub-Bereich ihrer unteren Totpunkte Einlass-, bzw. Auslass-Öffnungen freigeben, durch welche das Frischgas vor der Verbrennung in den Zylinder einströmen kann und das Abgas nach der Verbrennung aus dem Zylinder ausströmen kann. Da sich dieser Zyklus mit jeder Umdrehung der Kurbelwelle wiederholt, ist ein Viertaktverfahren auf diese Weise nicht zu verwirklichen. Zudem tritt der Nachteil auf, dass der zur Schmierung erforderliche Ölfilm an der Zylinderwand durch die Kolben und deren Kolbenringe beim Überlaufen der Steueröffnungen in diese Schlitze abgestreift wird. Das hat erhöhten Ölverbrauch und schlechte Emissionen zur Folge.
Es ist bekannt (Elsbett, OS 1906542), den Gaswechsel in Verbrennungsmotoren durch Schiebebüchsen zu steuern. Es ist auch bekannt (Daude, DE 20 2005 021 624 U1 und DE 20 2006 020 546 U1 ) durch solche, den Gaswechsel steuernde Schiebebüchsen in Gegenkolbenmotoren ein Schlitzüberlaufen der Kolben zu vermeiden. Hierbei sind beliebige Steuerzeiten sowohl im Zweitaktverfahren als auch im Viertaktverfahren erzielbar. Um diese Vorteile nutzen zu können, bedarf es eines einfachen und sicheren Antriebes der Schiebebüchsen. Ein direkter mechanischer Antrieb über Steuernocken benötigt dabei 2 Nockenwellen; je eine für die Einlassbüchse und die Auslassbüchse. Das erfordert ein entsprechendes Räderwerk zu den Nockenwellen, welche möglichst nahe der anzutreibenden Schiebebüchsen positioniert sein sollen, um eine direkte, leichte und schwingungsarme Betätigung zu ermöglichen. Eine solche Anordnung ist nicht immer einfach zu verwirklichen und erfordert ein aufwändiges Getriebe, insbesondere für das Viertaktverfahren, weil hierbei der Nockenantrieb mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft und damit große Antriebsräder erfordert. Die Schiebebüchse ist für eine mechanische Betätigung nicht an beliebigen Stellen zugänglich und die Einleitung der Schiebekräfte in die Schiebebüchse muss zudem in der Regel einseitig erfolgen und führt deshalb zu Verformungen der meist aus Gewichtsgründen relativ dünnen Wandstärke der Schiebebüchse.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Antrieb der Schiebbüchsen zu vereinfachen und die vorgenannten Schwierigkeiten zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schiebebüchsen hydrostatisch betätigt werden und die Steuerung nur durch eine an beliebiger Stelle angeordneter Nockenwelle erfolgt. Die Schiebebüchse ist zweckmäßigerweise wie ein hohler Hydraulikkolben gebaut und weist an ihrer Außenseite an beliebiger, bzw. zweckmäßiger Stelle eine Druckstufe wie ein Stufenkolben auf. Diese Druckstufe wird gebildet durch zwei konzentrische aber unterschiedliche Außendurchmesser. Damit wirkt der hydraulische Druck auf die Stirnfläche zwischen den beiden Durchmessern. Die die Schiebbüchse führende Zylinderbohrung im Motorgehäuse weist ebenfalls diese Druckstufe auf. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass die laterale Krafteinwirkung auf die Schiebebüchse gleichmäßig und ohne einseitige Verformung erfolgt. Sowohl die Öffnungs- wie die Schließbewegung der Schiebebüchse kann somit durch hydrostatischen Druck erfolgen. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass nur die Öffnungsbewegung hydrostatisch erfolgt und das Schließen der Schiebebüchsen mit einer oder mehreren Federn vorgenommen wird, in gleicher Weise, wie das bei Einlass- und Auslassventilen in herkömmlichen Verbrennungsmotoren geschieht.
Die Hubbewegung der Schiebebüchse wird ausgelöst durch die auf der Nockenwelle befindlichen Einlass- und Auslassnocken. Zweckmäßigerweise wird die Nockenwelle zentral, d. h. in der Mitte zwischen beiden Kurbelwellen angeordnet, um kurze Hydraulikleitungen zu ermöglichen. Ein über Nocken betätigter Stößel ist als Pumpenkolben ausgebildet und in einem Pumpenzylinder geführt. Als Hydraulikflüssigkeit ist vorzugsweise das im Motor ohnehin vorhandene Schmieröl vorgesehen, welches der Pumpe aus dem Ölsumpf des Motors zugeführt wird. Dadurch entfallen aufwändige Abdichtungen und die Trennung der Öl-Kreisläufe. Die auftretenden Leckagen verbleiben innerhalb des Motors. Das Öl für die hydrostatische Betätigung wird von der Pumpe über eine entsprechende externe oder interne Leitungsführung bis zur Druckstufe der Schiebebüchse geleitet. Der Hub der Schiebebüchse beginnt, nachdem die pumpenseitige Ölzuführungsbohrung im Pumpenzylinder durch den Hub des Pumpenkolbens verschlossen ist und der Raum zwischen Schiebebüchse und Pumpenkolben geschlossen wurde und sich darin ein Druck aufbauen kann. Nach Ende des Hubes wird die Schiebebüchse mittels Federkraft – oder alternativ durch eine hydrostatische Bewegung mittels eines Gegennockens – in die Ausgangsstellung zurückgeführt und dadurch die Flüssigkeitssäule der Bewegung des Pumpenkolbens folgend zurückgedrückt. Etwaige geringe Leckagen während der Betätigung können dann nach Öffnen der Ölzuführungsbohrung wieder ersetzt werden.
Die Steuerzeiten, d. h. Beginn und Ende des Schiebebüchsenhubes werden durch die Einstellung des Pumpenzylinders vorgenommen. Dabei ermöglicht die Verschraubung des Pumpenzylinders die Längsjustierung und damit den Zeitpunkt des Schließens der Ölzuführungsbohrung. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht auch variable Steuerzeiten, indem – ähnlich wie bei Einspritzpumpen – der Pumpenkolben drehbar ist und eine schräge Steuerkante aufweist. Alternativ kann auch der Pumpenzylinder verdreht werden oder eine Längsbewegung ausführen.
Die Nockenform unterscheidet sich von herkömmlichen Nockenprofilen insofern, dass eine Vorhub-Phase einberechnet werden muss, in welcher der Pumpenkolben den Weg bis zum Verschließen der Ölzuführungsbohrung zurücklegt. Ähnlich und in bekannter Weise wie bei den oft üblichen hydraulischen Stößeln in Ventilgesteuerten Verbrennungsmotoren, ergibt sich dadurch ein automatischer Spielausgleich. Eine alternative Ausführung dieser Betätigung der Gaswechselsteuerung erhält man, wenn in die Ölzufuhr zum Pumpenelement ein Rückschlagventil eingebaut wird. Dieses Rückschlagventil lässt nur diejenige Menge an Hydraulikflüssigkeit zufließen, die durch Leckage im vorausgegangenen Stößelhub verloren gegangen ist. Ein Vorhub entfällt auf diese Weise.
Prinzipiell kann die hydrostatische Büchsenbewegung in beiden Richtungen erfolgen. Es ist jedoch vorteilhaft – ähnlich wie bei herkömmlichen Ventilsteuerungen in Verbrennungsmotoren – das Rückholen der Schiebebüchse mittels Federkraft vorzunehmen. Dadurch wird sowohl ein spielfreies Schließen der Schiebebüchse auf ihrem Dichtsitz gewährleistet, sowie ein weiterer Ölkreislauf zu Betätigung der Schließhubes – einschließlich weiterem Nocken und Stößel – vermieden. Öffnungs- und Schließhub werden durch einen einzigen Nocken gesteuert.
In der Regel soll das im Motor ohnehin vorhandene Schmieröl als Hydraulikmedium verwendet werden. So wird der Aufwand zu Abdichtung aller Steuerungs-Komponenten sehr gering, da geringfügige Leckagen unschädlich sind und diese dem allgemeinen Ölkreislauf wieder zugeführt werden.
Bildbeschreibung:
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gegenkolbenmotor. Zwei Kolben 1 und 2 bewegen sich gegenläufig in einem Motorgehäuse bestehend aus zwei Kurbelgehäusen 3 und 4 und zwei Zylinderhälften 5 und 6 die durch ein Zylindermittelteil 7 miteinander verbunden sind. Die Kolben werden angetrieben durch zwei Kurbelwellen 8 und 9, sowie die Pleuel 10 und 11. Ihre Bewegung wird durch einen Rädertrieb 12 synchronisiert. Das zentrale Rad dieses Rädertriebes ist in einem am Motorgehäuse Zylindermittelteil 7 befestigten Steuergehäuse 13 gelagert und dreht sich im Viertaktverfahren mit halber Kurbelwellendrehzahl. Es treibt eine Nockenwelle 14 an, welche sowohl einen Nocken für die Betätigung einer Einspritzpumpe 15 aufweist, als auch je einen Nocken zur Steuerung des Gaswechsels von Einlass und Auslass mittels der Schiebebüchsen 16 und 17 besitzt. Durch deren Verschiebung können die ringförmigen Gaskanäle 18 und 19 unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden
2 zeigt mehr Details von 1, indem nur eine Hälfte des Querschnittes dargestellt wird. Ein im Steuergehäuse 13 geführter Stößel 20, der über eine Feder 21 gegen einen Nocken 22 gedrückt wird, führt durch die Umdrehung der Nockenwelle 14 eine hin- und hergehende Bewegung aus. Der Stößel 20 wird gleichzeitig als Pumpenkolben benutzt. Durch eine Ölzulaufbohrung 23 wird der Raum 24 hinter dem Stößel 20, sowie die Leitungen 25 und 26 gefüllt. Diese leiten das Öl in eine umlaufende Ringnut 27, welche um den Außendurchmesser der Schiebebüchse 17 im Bereich einer Stufe 28 herum führt. Diese Stufe wird gebildet dadurch, dass am äußeren Umfang der Schiebebüchse 17 auf der zur Kurbelwelle 9 zeigenden Seite ein größerer Durchmesser angebracht ist, als auf der zum Zylindermittelteil 7 zeigenden Seite. Dadurch kann die Schiebebüchse 17 durch Druckbeaufschlagung wie ein Stufenkolben bewegt werden. Sobald nun die Ölzulaufbohrung 23 im Steuergehäuse 13 durch die Hubbewegung des Stößels 20 verschlossen wird, entsteht in der Flüssigkeitssäule im Raum 24, in den Leitungen 25 und 26, sowie in der Ringnut 27 ein Überdruck, welcher die Schiebebüchse 17 verschiebt und damit den Gaskanal 19 öffnet. Die Schließbewegung wird durch Federn 29 vorgenommen, welche die Schiebebüchse 17 der Abwärtsbewegung des Nockens 22 und des Stößels 20 folgend wieder auf ihren Dichtsitz 30 zurück schieben. Die während der Schiebebewegung auftretenden Leckagen dienen der Schmierung von Stößel 20 und Schiebbüchse 17. Sie werden durch Zufluss über die Ölzulaufbohrung 23 ersetzt, sobald diese durch die Rückwärtsbewegung des Stößels 20 wieder geöffnet wird. Die Leckage des Stößels 20 tritt in das Steuergehäuse 13 aus und die Leckage des größeren Durchmessers der Schiebebüchse 17 tritt in das Kurbelgehäuse 4 aus. Die Leckage des kleineren Durchmessers wird in einer ringförmigen Nut 31 der Zylinderhälfte 6 gesammelt und von dort in den Kreislauf zurückgeführt. Die Vermeidung des Ölaustrittes in den Gaskanal 19 wird durch eine kolbenringartige Abdichtung mittels eines oder mehrerer Dichtringe 32 gewährleistet.
3 zeigt mehr Details von 2 im Bereich des Steuergehäuses 13. Der Stößel 20 ist nicht direkt im Steuergehäuse 13 geführt, sondern in einer drehbaren Hülse 33, die an ihrem äußeren Ende ein Gewinde 34 mit Angriffsflächen 35 für einen Schlüssel zu dessen Verdrehung aufweist. Das Gewinde 34 ist mit einer auf dem Steuergehäuse 13 befestigten Platte 36 verschraubt. Das über die Ölzulaufbohrung 23 zugeführte Öl tritt durch Löcher 37 in einer Außennut 38 in eine Innennut 39 der Hülse 33 ein. Der hydrostatische Druckaufbau in der zur Schiebebüchse führenden Flüssigkeitssäule beginnt, nachdem diese Innennut 39 durch den beginnenden Hub des Stößels 20 verschlossen wird. Eine genaue Einstellung dieses Vorhubes – und damit eine Feineinstellung der Steuerzeiten – kann durch Verdrehen der Hülse 33 an deren Schlüssel-Angriffsflächen 35 vorgenommen werden, da sich der Vorhub entsprechend der Steigung des Gewindes 34 verändern lässt. Eine Außennut 40 verhindert, dass die Druckweiterleitung durch die Löcher 41 in die Bohrung 25 durch die Verdrehung der Hülse 33 unterbrochen werden kann. Durch die O-Ringe 42 und 43 wird die Einstellvorrichtung nach außen abgedichtet. Die Einstellung der Steuerzeiten kann natürlich mit entsprechenden Stellmodulen auch dynamisch, das heißt während des Motorlaufes erfolgen, wodurch sich auf einfache Weise variable Steuerzeiten ermöglichen lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202005021624 U1 [0003]
DE 202006020546 U1 [0003]

Claims

Gegenkolbenmotor mit Gaswechselsteuerung über Schiebebüchsen, gekennzeichnet dadurch, dass die Schiebebüchsen am Außendurchmesser eine stufenkolbenartige Druckstufe aufweisen, wodurch sie sich durch eine hydrostatische Druckbeaufschlagung verschieben lassen.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Öffnungshub der Schiebebüchsen durch hydrostatische Druckbeaufschlagung erfolgt und der Schließhub mittels auf die Schiebebüchsen wirkender Federkraft vorgenommen wird.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die hydrostatische Druckbeaufschlagung mittels eines Kolbens initiiert wird, welcher gleichzeitig als Stößel ausgeführt ist, der seinerseits durch einen Nocken betätigt wird
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Einstellung der Steuerzeiten durch eine Vorrichtung erfolgt, welche einen variablen Vorhub, d. h. einen veränderbaren Hub des Pumpenstößels bis zum Beginn des Druckaufbaus, erlaubt.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung zur Einstellung der Steuerzeiten mittels einer entlang der Stößelachse verschiebbaren Hülse erfolgt, in welcher der Pumpen-Stößel geführt ist und welche Zulaufbohrungen, bzw. Zulaufnuten aufweist, durch welche sich bei Längsverschiebung der Hülse ein veränderbarer Zeitpunkt des Beginns des Druckaufbaues einstellen Lässt.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 4 und 5 gekennzeichnet dadurch, dass die Längsverschiebung der Hülse mittels Drehung in einem Gewinde erfolgt.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 4 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass die Hülsenverschiebung auch dynamisch, d. h. während des Motorbetriebes zwecks Erzielung variabler Steuerzeiten vorgenommen wird.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass zur Betätigung sowohl der Einlass- als auch der Auslass-Schiebebüchse nur eine einzige Nockenwelle erforderlich ist, die in einem zentral angeordneten Steuergehäuse gelagert ist und dass diese Nockenwelle Nocken zur Betätigung der Einlass- und Auslass-Pumpenstößel aufweist, die im Steuergehäuse angeordnet sind.
Gegenkolbenmotor, nach Anspruch 8 gekennzeichnet dadurch, dass die im Steuergehäuse gelagerte Nockenwelle neben den Nocken zur Gaswechselsteuerung auch Einspritznocken aufweist, wobei neben den Einlass- und Auslass-Pumpenstößeln auch eine oder mehrere Einspritzpumpen im Steuergehäuse untergebracht sind.