DE102012004981A1

DE102012004981A1 - Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor

Info

Publication number: DE102012004981A1
Application number: DE102012004981A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Roß Andreas
Original assignee: Fachhochschule Luebeck
Current assignee: Fachhochschule Luebeck
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-09-19
Also published as: EP2639426A1; EP2639426B1

Abstract

Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor zur mechanischen Zwangsführung eines Hülsenkolbens und eines Ansaugkolbens durch Verbindung mit einer Kurbelwelle, wobei der Hülsenkolben am Umfang eine in axialer Richtung des Kolben verlaufende Führung zur axialen Zwangsführung aufweist, der Hülsenkolben weiter eine am Umfang mit variierender Distanz zum Verbrennungsraum umlaufende Kulissenbahn aufweist, und ein mit der Kurbelwelle in Verbindung stehender Zahnkranz in der Zylinderwandung verdrehlich um den Hülsenkolben vorgesehen ist, der eine in der Kulissenbahn in Eingriff stehende Zahnkranz-Kurvenrolle trägt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Inline-Doppelkolbenmotore sind Viertakt-Verbrennungs-Kraftmotore, bei denen sich in einem Arbeitszylinder zwei ineinandergleitende Kolben bewegen. Gegenüber herkömmlichen Viertakt-Motoren, bei denen der Restdruck beim Arbeittakt nicht ausgenutzt wird, sondern auch bei sehr aufwändig gestalteten Abgassystemen über dieses verloren geht, bieten Doppelkolbenmotore, die Ansaugen und Verdichten mit einem anderen Volumen als beim Arbeits- und Auspuffschritt realisieren, einige Vorteile.
Bei herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotoren wird ein Kreisprozess im bekannten Viererrhythmus durchfahren. Bedingt durch die konstante Oberfläche des Kolbens und das erforderliche Öffnen des Auslassventile vor dem unteren Totpunkt des Kolbenhubs im Arbeitstakt verlassen dabei noch unter Druck stehende Arbeitsgase ungenutzt für die Drehmomenterzeugung den Zylinderraum.
Bei einem Doppelkolbenmotor, der das Restvolumen im Arbeitstakt zur Drehmomenterhöhung ausnutzt, sind nun die beiden Kolben in ihrer Stellung zueinander in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel zu steuern.
Hierbei stellt sich das Problem, dass auch die dynamischen Zusatzkräfte beherrscht werden müssen, die aufgrund von Bremsung auf eine Geschwindigkeit von Null im unteren und oberen Totpunkt entstehen. Dabei müssen nicht definierte Stellungen der Bauteile zueinander vermieden werden.
Der gesamte Kolben besteht dabei aus zwei ineinanderliegenden Kolben, wobei im Ansaugtakt der innere, kleinere Kolben das Kraftstoffluftgemisch ansaugt, während der äußere, große Kolben im oberen Totpunkt verharrt. Die Verdichtung erfolgt ebenfalls durch den kleinen Kolben. Beim Arbeitstakt wird der obere Kolben durch eine Verriegelung gehalten, so dass das Kolbenpaar mit der gesamten auf diese Weise vergrößerten Kolbenfläche zur Umwandlung der Druckenergie in Bewegungsenergie genutzt werden kann. Beim Arbeitsgang des Ausstossens wird der äußeren Kolben von dem inneren Kolben in seine ursprüngliche Ausgangslage geschoben, wobei eine den inneren Kolben an den äußeren Kolben ansetzende Passkante genutzt wird (z. B. eine Verjüngung des inneren Zylinders zum Brennraum und eine entsprechende Ausformung des äußeren Zylinders nahe dem Brennraum).
Ein derartiger Inline-Doppelkolbenmotor, bei dem der innere Kolben eine Kommunikationsöffnung zum Brennraum hat, die kleiner als sein Querschnitt ist, ist in der DE 10 2009 031 860 A1 der Anmelderin beschrieben. Dort ist die Ansteuerung der Zylinder jedoch noch nicht konstruktiv ausgearbeitet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuerung anzugeben, die die Kolben entsprechend ansteuert, so dass im bekannten Viererrhythmus Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen die beiden ersten Takte von dem inneren Kolben und die beiden zweiten Takte von dem äußeren Kolben durchgeführt werden, wobei der äußere Kolben während der ersten beiden Takte am oberen Totpunkt gehalten wird, bei den zweiten beiden Takten der mit dem Pleuel versehene innere Kolben den äußeren Hülsenkolben mitnimmt bzw. beim Explosionsprozess der äußere Kolben den inneren Kolben mit hinunter drückt. Das Pleuel ist am inneren Kolben wie üblich befestigt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung des seitlich geschnitten dargestellten Zylinder als mit Hülsenkolben, einem in der Zylinderwandung eingelassenen rotierenden Zahnkranz mit seiner Kurvenrolle und eine Axialführung mit ihrer Kurvenrolle.
Ein nach der Erfindung ausgebildeter Zylinder 2 mit Zwangssteuerung für zwei Kolben, den äußeren Hülsenkolben 3 und den inneren (nicht dargestellten) Ansaugkolben weist eine Zwangsführung wie in der 1 dargestellt auf. Der Hülsenkolben 3 weist links am Umfang eine in axialer Richtung des Kolbens verlaufende Führung zur axialen Zwangsführung auf, so dass der Hülsenkolben nicht rotiert. Nur der Ansaugkolben ist über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden.
Weiter weist der Hülsenkolben 3 eine am Umfang mit variierender Distanz zum Verbrennungsraum umlaufende Kulissenbahn 8 auf, und ein mit der Kurbelwelle in Verbindung stehender Zahnkranz 4 in der Zylinderwandung 1 ist verdrehlich um den Hülsenkolben 3 vorgesehen, wobei er eine in der Kulissenbahn in Eingriff stehende Zahnkranz-Kurvenrolle 7 trägt. Über die Hälfte eines Umlaufs des Zahnkranzes 4 um den Hülsenkolben 3 ist die Kulissenbahn 8 eben in einer Parallelebene zur Kolbenfläche ausgebildet, um also den Hülsenkolben 3 im wesentlichen an seinem oberen Totpunkt zu halten.
Nach Entzündung des Arbeitsgases im Brennraum soll allerdings eine gleichzeitige Axialbewegung der beiden Kolben ermöglicht werden und daher ist die Kulissenbahn 8 im übrigen Verlauf so geschwungen, dass sich beide Zylinder im Wesentlichen synchron bewegen können. Wie in der 1 dargestellt, ist also die Kulissenbahn 8 über die Hälfte einer vom Zahnkranz 4 abgefahrenen Umdrehung gerade senkrecht zur Achse ohne Neigung als Verriegelungsstrecke ausgebildet, während die andere Hälfte für die Auf- und Ab-Bewegung des Hülsenkolbens 3 um die in dem Hülsenkolben-Mantel vorgesehene Führungsbahn 9 mit axialen Richtungsanteilen geschwungen ist. Diese axiale Auslenkung aus der Verriegelungsebene entspricht dem Hub des Hülsenkolbens 3.
Die axiale Führung des Hülsenkolbens 3, damit dieser nicht mitrotiert, kann durch eine entlang des Außenwand des Hülsenkolbens 3 ausgebildete Führungsbahn 9 realisiert werden, die mit einer im Zylinder 2 befestigten Axialführungs-Kurvenrolle 6 in Eingriff steht. Eine Wirkumkehr ist generell möglich, allerdings wird eine Schwächung der Zylinderlauffläche durch eine längere Bahn nicht bevorzugt, so dass es sich anbietet, die Axialführungs-Kurvenrolle 6 an der Zylinderwandung zu haltern und die Bahn im Hülsenkolben 3 vorzusehen. Diese Axialführungs-Kurvenrolle 6 greift dann in die auf der Hülsenkolben-Mantelfläche ausgebildete Nut, die Führungsbahn 9, ein.
Andererseits wird der rotierende Zahnkranz 4 in der Zylinderwandung 2 angeordnet und zwar zum Brennraum bin näher, als die Axialführungs-Kurvenrolle 6. Der Zahnkranz 4 wird von einem Ritzel 5 angetrieben und trägt an seiner Innenseite eine weitere Führungsrolle, die Zahnkranz-Führungsrolle 7, die durch die Kulissenbahn 8 bewegt wird, wodurch sie die Hubbewegung des Hülsenkolbens 3 im ebenen Abschnitt stoppt und in den geneigten Abschnitten dichter an der Kolbenstirnfläche bewegt.
Für den Antrieb des Ritzels 5 sorgt eine mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelte Einrichtung, so dass Kurbelwelle und Zahnkranz 5 miteinander zur Verdrehung gekoppelt sind. Dabei wird vorgeschlagen, dass die Verzahnung von Ritzel 5 mit dem Zahnkranz 4 zur Verdrehung des Zahnkranzes 4 auf halber Kurbelwellendrehzahl ausgeführt ist.
Der Zahnkranz 4 läuft also mit halber Kurbelwellendrehzahl um, um so eine Hälfte des Hülsenkolbenumfangs mit seiner Zahnkranz-Führungsrolle 7 in der Kulissenbahn 8 zu einer Verriegelungstreecke zu machen. Die andere Hälfte der Kulissenbahn 8 erlaubt die Auf- und Ab-Bewegung des Hülsenkolbens 3, wobei die axiale Höhenänderung der Kulissenbahn 8 des Hülsenkolbens 3 der Formel S = R·(1 + (R/4L) – cosφ – (R/4L)·cos2φ) folgt, wobei S der zurückgelegte Hubweg ist, und L die Pleuellänge, R die Kurbelwellenkröpfung (= Maximalhub/2) und φ den Kurbelwinkel darstellen, so dass im Arbeits- und Auslasstakt die Zahnkranz-Kurvenrolle 4 unbelastet in der Kurvenbahn läuft, die in einer entsprechenden Breite vorgesehen ist.
Beim Auslasstakt stützt sich der Hülsenkolben 3 auf dem Ansaugkolben ab, während beim Arbeitsschritt der Hülsenkolben 3 und die Expansion der Brenngase auf den Ansaugkolben wirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009031860 A1 [0007]

Claims

Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor zur mechanischen Zwangsführung eines Hülsenkolbens (3) und eines Ansaugkolbens durch Verbindung mit einer Kurbelwelle, – wobei der Hülsenkolben (3) am Umfang eine in axialer Richtung des Kolbens verlaufende Führung zur axialen Zwangsführung aufweist, – der Hülsenkolben (3) weiter eine am Umfang mit variierender Distanz zum Verbrennungsraum umlaufende Kulissenbahn (8) aufweist, und – ein mit der Kurbelwelle in Verbindung stehender Zahnkranz (4) in der Zylinderwandung verdrehlich um den Hülsenkolben (3) vorgesehen ist, der eine in der Kulissenbahn (8) in Eingriff stehende Zahnkranz-Kurvenrolle (7) trägt.
Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Hülsenkolbens (3) eine entlang des Außenwand des Hülsenkolbens (3) ausgebildete Führungsbahn ist, die mit einer im Zylinder (2) befestigten Axialführungs-Kurvenrolle (6) in Eingriff steht.
Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (4) in der Zylinderwandung (1) zum Brennraum hin näher angeordnet ist, als die Axialführungs-Kurvenrolle (6) für die Axialführung.
Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Ritzel (5), das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und den Zahnkranz (4) antreibt.
Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung von Ritzel (5) mit dem Zahnkranz (4) zur Verdrehung des Zahnkranzes (4) auf halber Kurbelwellendrehzaht ausgeführt ist.
Ansteuerung für einen Inline-Doppelkolbenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (8) über die Hälfte der Zahnkranzumdrehung gerade senkrecht zur Kolbenachse ohne Neigung als Verriegelungsstrecke ausgebildet ist, während die andere Hälfte für die Auf- und Ab-Bewegung des Hülsenkolbens (3) um die in dem Hülsenkolben-Mantel vorgesehene achsparallel verlaufende Führungsbahn (9) mit axialen Richtungsanteilen geschwungen ist.
Ansteuerung für ein Inline-Doppelkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhenänderung der Kulissenbahn (8) des Hülsenkolbens (3) der Formel S = R·(1 + (R/4L) – cosφ – (R/4L)·cos2φ) folgt, wobei S der zurückgelegte Hubweg ist und L die Pleuellänge, R die Kurbelwellenkröpfung (= Maximalhub/2) und φ den Kurbelwinkel darstellen.