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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einem Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip handelt es sich beispielsweise um einen Motor nach dem Grundprinzip des Otto- oder Dieselmotors. Hierbei dehnt sich ein Gas in einem Zylinder aus, wobei es sich bei einem Ottomotor oder einen Dieselmotor um ein in den Brennraum eingespritztes Kraftstoff-Luft-Gemisch handelt, welches entweder durch eine Zündkerze oder durch Selbstzündung zur Verbrennung gelangt. Infolge der Ausdehnung dieses Gases werden zwei gegenläufige Kolben innerhalb eines Zylinders verdrängt, deren Bewegung über Pleuelstangen auf Kurbelwellen übertragen wird, die auf diese Weise in Drehbewegung versetzt werden.
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Für die vorliegende Beschreibung bedeutet der Begriff „oben“, dass sich der Kolben im Bereich des Zylinderkopfes an seinem oberen Totpunkt befindet und der Begriff „unten“, dass sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts befindet.
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In der vorliegenden Beschreibung ist von einem zündfähigen Gemisch die Rede, welches eingesaugt wird. Damit abgedeckt ist jedoch auch die Einsaugung von Luft im Falle eines Motors mit Direkteinspritzung. In diesem Falle wird unmittelbar nur Luft angesaugt und der Kraftstoff direkt eingespritzt. Auch diese Kombination von Luft und Kraftstoff soll im Folgenden unter „Gemisch“ verstanden werden.
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Bei einem klassischen Viertakt-Motor bewegt sich der Kolben während des Ansaugtakts von oben nach unten, während das Einlassventil innerhalb des Zylinderkopfes geöffnet ist. Hierdurch wird zündfähiges Gemisch in den Hubraum eingesogen. Im darauffolgenden Verdichtungstakt bewegt sich der Kolben nach oben und komprimiert das zündfähige Gemisch in den Brennraum. Anschließend erfolgt die Zündung des Gemisches durch eine Zündkerze oder durch Selbstzündung, wodurch das Gemisch expandiert und den Kolben wieder nach unten treibt. Hierbei handelt es sich um den Arbeitstakt. Im letzten Auspufftakt bewegt sich der Kolben nach oben, während das Auslassventil geöffnet ist und wodurch die Auspuffgase über den daran angeschlossenen Auspuff ausgestoßen werden.
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Alternative Betriebsweisen eines solchen Motors bestehen beispielsweise darin, dass man die Nockenwelle, welche die Ventile öffnet und schließt, mit der doppelten Geschwindigkeit rotieren lässt, wodurch aus dem ursprünglichen Viertakt-Motor ein Quasi-Zweitakt-Motor wird, und Ein- und Auslassventile teilweise zeitgleich geöffnet sind. Insbesondere in einer solchen Betriebsweise, jedoch auch während des klassischen Betriebs eines Viertakt-Motors ergeben sich unerwünschte Durchmischungen von Einlass- und Auslassgasen. Die Dynamik dieser Gasverteilung im Hubraum und im Brennraum, wirkt sich negativ auf Leistung und Effizienz des Motors aus. Zudem verringert sich die Klopffestigkeit durch den Einschluss von Abgasen im Hubraum nach dem Schließen des Auslassventils.
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Die
US 2 979 045 A zeigt einen Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip mit einem Zylinder, in welchem ein Kolben oszillierend angeordnet, wobei der Zylinderkopf eine Tasche aufweist, in welche eine an dem Kolbenboden befestigte Trennwand während der oszillierenden Bewegung des Kolbens eindringen kann.
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Die WO 2012 / 158 756 A1 zeigt einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip mit mindestens einem Zylinder, in welchem ein erster Kolben mit einem ersten Kolbenboden und ein zweiter Kolben mit einem zweiten Kolbenboden gegenläufig oszillierend angeordnet sind, wobei der dem ersten Kolbenboden gegenüberliegende zweite Kolbenboden mit der Wandung des Zylinders bei an ihren zugewandten Totpunkten befindlichen Kolben einen Brennraum definiert.
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Ausgehend von der letztgenannten Druckschrift besteht somit die Aufgabe, einen Verbrennungsmotor derart weiterzubilden, dass die Einlassströmungen bestmöglich von den Auslassströmungen getrennt werden, um Leistung, Effizienz und Klopffestigkeit des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, bei welchem ein erster Kolben und ein zweiter Kolben gegenläufig oszillierend angeordnet sind, wobei der dem ersten Kolbenboden gegenüberliegende zweite Kolbenboden mit der Wandung des Zylinders bei an ihren einander zugewandten Totpunkten befindlichen Kolben einen Brennraum definiert.
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Bevorzugt ist die Trennwand entlang des Durchmessers des Kolbenbodens angeordnet. Alternativ kann sie jedoch auch versetzt zu dem Durchmesser angeordnet sein.
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Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Trennwand gewölbt ausgebildet ist. Die Trennwand kann z.B. entlang der Hochachse eine Drehung aufweisen oder gewölbt sein, um sich einem bestimmten Zylinder bzw. einer bestimmten Zylinderkopfgeometrie anzupassen.
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In einer ersten Ausführungsform kann die Trennwand gasundurchlässig sein. In anderen Ausführungsformen kann die Trennwand jedoch auch eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, insbesondere solche, die sich im Bereich des Kolbenbodens befinden und/oder Öffnungen, welche über die Fläche der Trennwand verteilt angeordnet sind.
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Bevorzugt ist die Trennwand als separates, mit dem Kolbenboden verbundenes Element ausgebildet.
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Die Trennwand kann in einer alternativen Ausgestaltung jedoch auch als integraler Bestandteil des Kolbens und fest verbunden mit dem Kolbenboden ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Trennwand ein flexibles verformbares Element.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Trennwand ein starres Element.
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Die Trennwand kann in einer bevorzugten Ausführungsform berührungslos in die Tasche des gegenüberliegenden Kolbens eindringen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Trennwand innerhalb der Tasche gleiten, wobei Dichtungen am Einlass der Tasche angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich innerhalb der Tasche ein Ölaustritt für die Schmierung der bewegenden Trennwand innerhalb der Tasche.
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Vorteilhaft besteht die Trennwand aus Metall oder einer metallischen Legierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff.
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In einer bevorzugten Ausführungsform oszilliert jeder Kolben auf linearem Wege in dem Zylinder. Alternativ hierzu kann jeder Kolben auch auf einer gekrümmten Bahn innerhalb eines gleichermaßen gekrümmten Zylinders oszillieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden erläutert. Hierbei wird auf die nachfolgenden Zeichnungen Bezug genommen, welche jedoch kein unmittelbares Ausführungsbeispiel nach dem Gegenkolbenprinzip zeigen, sondern ein Ausführungsbeispiel nach dem Hubkolbenprinzip. Diese sind mit der Maßgabe zu interpretieren, dass die in dem Zylinderkopf vorhandene Tasche in dem Kolbenboden des gegenüberliegenden Kolbens des Motors nach dem Gegenkolbenprinzip angeordnet ist, also ein Kolben an seinem Kolbenboden eine Trennwand aufweist und der andere eine Tasche, in welche die Trennwand bei sich aufeinander zu bewegenden Kolben eindringt. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 Eine perspektivische Darstellung eines ersten Kolbens für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor;
- 2 eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Zylinderkopfes für einen Motor nach dem Hubkolbenprinzip;
- 3 ein Schnitt entlang der Linie C-C aus 2;
- 4 einen Schnitt entlang der Linie D-D aus 2 mit dem Kolben im Bereich des oberen Totpunkts;
- 5 eine Darstellung gemäß 4 mit dem Kolben im Bereich des unteren Totpunkts, einem geöffneten Ventil und Darstellung der Strömung.
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Die 1 zeigt den Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor nach dem Hubkolbenprinzip, wie er jedoch auch in einem Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip Einsatz finden kann. Der Kolben 1 weist in an sich bekannter Weise einen im Wesentlichen zylindrischen Kolbenmantel 12 und einen Kolbenboden 11 auf. Ferner sind in 1 verschiedene Kolbenringe 13 dargestellt, von denen einer als Ölabstreifring dient. Nicht weiter eingegangen wird auf die Merkmale unterhalb des Kolbenbodens 11, also die Lagerung für die Pleuelstange, die in an sich bekannter Weise ausgeführt sein kann.
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Ausgehen von dem Kolbenboden 11 erstreckt sich eine Trennwand 2 nach oben, also in Richtung des in den folgenden Figuren näher dargestellten Zylinderkopfes 4. Diese Trennwand 2 verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel diagonal über dem Kolbenboden 11, ist jedoch von dem Kolbenboden 11 durch einen Durchströmbereich 14 getrennt, und zwar dadurch, dass die Trennwand 2 mit Verbindungselementen 15 am Rande des Kolbenbodens 11 befestigt ist. Diese Verbindungselemente 15 können gemeinsam mit der Trennwand 2 ein einstückiges Teil bilden, ggf. auch gemeinsam mit dem Kolbenboden 11. Alternativ hierzu kann die Trennwand 2 mit den Verbindungsstücken 15 einstückig gearbeitet sein und letztere durch Schweißen oder andere Verbindungstechniken mit dem Kolbenboden 11 verbunden sein.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Trennwand 2 neben dem Durchströmbereich 14 eine Vielzahl von Öffnungen 3 auf, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter unten, also in Richtung des Kolbenbodens 11, einen größeren Durchmesser und weiter oben, also in Richtung des Zylinderkopfs 4, einen geringeren Durchmesser aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um insgesamt zwölf Öffnungen 3.
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Die Trennwand ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein starres Element, welches aus dem gleichen Material wie der Kolben 1 und der Kolbenboden 11 gefertigt sein kann. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, dass die Trennwand 2 ein flexibel verformbares Element ist.
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Die Trennwand besteht beispielsweise aus Metall oder einer metallischen Legierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff, einem Kunststoff oder einer Kombination dieser Materialien.
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Der beschriebene Kolben arbeitet mit einem entsprechenden Kolben zusammen, welcher eine Tasche zur Aufnahme der Trennwand 2 aufweist. Im Folgenden wird jedoch eine Ausführungsform beschrieben, die nicht erfindungsgemäß ist, bei der die Tasche in dem Zylinderkopf 4 angebracht ist.
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Hierzu ist ein Zylinderkopf 4, wie er sich zum Zusammenwirken mit dem in 1 dargestellten und beschriebenen Kolben 1 eignet, ist in 2 dargestellt. Von dem Kolben 1 ist hier ein Teil des Mantels 12 ersichtlich. Der Zylinderkopf 4 weist ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 8 auf, wobei zu dem Auslassventil 8 auch der Auslasskanal 7 dargestellt ist. Von dem Kolben 1 ist nur der Mantel 12 dargestellt. Um die Trennwand 2 des Kolbens 1 aufzunehmen muss der Zylinderkopf 4 über eine Tasche 9 verfügen, welche als Schlitz innerhalb eines mit dem Zylinderkopf 4 gegossenen Vollmaterials ausgebildet ist und in der Größe so bemessen ist, dass diese Tasche 9 die Trennwand 2 vollständig in sich aufnehmen kann, wenn sich der Kolben 1 im Bereich seines oberen Totpunkts befindet. Die in den Zeichnungen oben offen dargestellte Tasche 9 ist selbstverständlich tatsächlich oben abgedichtet ausgebildet.
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3 stellt einen Schnitt entlang der Linie C-C aus 2 dar. Aus dieser Figur ist ersichtlich, wie sich die Trennwand 2 innerhalb des Tasche 9 des Zylinderkopfs 4 befindet, wenn sich der Kolben 1 im Bereich seines oberen Totpunkts befindet und in dieser Stellung zusammen mit der Wandung des (nicht dargestellten) Zylinders und dem Zylinderkopf 4 sowie dem Kolbenboden 11 einen Brennraum definiert. Ebenfalls nicht dargestellt sind die Zünd- oder Glühvorrichtungen zum Zünden des explosionsfähigen Gemisches.
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3 ist zu entnehmen, dass die Trennwand 2 in der Tasche 9 aufgenommen werden kann und bei oszillierender Bewegung des Kolbens 1 innerhalb des (nicht dargestellten) Zylinders auch die Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9 in gleicher Weise oszilliert.
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4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie D-D aus 2. Die Darstellung ist hier also um 90° versetzt. Gut erkennbar sind in 4 der Zylinderkopf 4 mit dem Einlassventil 6, dem Einlasskanal 5, dem Auslassventil 8 und dem Auslasskanal 7. Ebenfalls dargestellt ist die mit Öffnungen 3 versehene Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9 des Zylinderkopfs 4. In der dargestellten Position sind beide Ventile, also das Einlassventil 6 und das Auslassventil 8 in geschlossener Position.
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Schließlich zeigt 5 eine Darstellung wie 4, bei der sich der Kolben 1 allerdings im Bereich seines unteren Totpunkts befindet, die Trennwand 2 also weitgehend aus der Tasche 9 herausgezogen ist und nur noch mit ihrem oberen Bereich sich innerhalb der Tasche 9 befindet.
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Darüber hinaus ist in 5 die Strömung 10 der Gase dargestellt, und zwar in einer Stellung der Ventile wie sie nur vorkommt, wenn ein Viertaktmotor nach dem Zweitaktprinzip gefahren wird, also mit doppelter Drehzahl der Nockenwelle. In diesem Falle können das Einlassventil 6 und das Auslassventil 8 gleichzeitig geöffnet sein und es ergibt sich eine Strömung 10 von dem Einlassventil in Richtung des Kolbenbodens 11, durch den Durchströmbereich 14 zwischen dem Kolbenboden 11 und der Trennwand 2 sowie durch die Öffnungen 3 in der Trennwand 2 hinein in den Auslassbereich und anschließend durch das Auslassventil 8 in den Auslasskanal 7.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor fungiert nach Anspruch 1 nach dem Gegenkolbenprinzip, wobei sowohl ein Otto- als auch ein Dieselmotor möglich sind. Die Ventilsteuerung kann in an sich bekannter Weise über Nockenwellen und Ventilfedern erfolgen oder über eine Zwangsführung, z.B. nach dem desmodromischen Prinzip oder aber mittels aktiver Steuerung durch Aktoren. Der Motor kann entweder nach dem Viertaktprinzip betrieben werden, wie es in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist oder nach einem modifizierten Zweitaktprinzip, wobei in diesem Falle die die Ventile steuernde Nockenwelle (falls eine solche vorhanden ist) mit doppelter Drehzahl betrieben wird. In diesem Falle ist es auch vorteilhaft, die Ventile ohne Nockenwellen mit Hilfe von Aktoren zu steuern.
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Der mit einem derartigen Kolben ausgestattete erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann als Einzylinder- oder Mehrzylindermotor in beliebiger Bauart, z.B. als Reihenmotor, V-Motor oder W-Motor oder als Boxermotor oder, wie oben beschrieben und beansprucht, als Gegenkolbenmotor ausgebildet sein.
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Nicht beschrieben wurde die Schmierung der Trennwand 2 innerhalb der Tasche 9. Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Elementen kann so ausgestaltet sein, dass keine Berührung stattfindet, wodurch auch keine Schmierung nötig ist. Sie kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass innerhalb der Tasche 9 ein Ölaustritt vorhanden ist, um das Gleiten der Trennwand 2 in der Tasche 9 zu schmieren. Am Eintritt der Tasche 9 können auch Dichtlippen angeordnet sein.
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In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können mehrere Hubraumtrennwände vorhanden sein, die entweder parallel oder in einem Winkel zueinander auf dem Kolbenboden angeordnet sind. Einströmende Gase oder Gemische aus Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen werden so weitgehend von den vollständig verbrannten ausströmenden Abgasen getrennt, wobei gleichzeitig eine hohe Durchlässigkeit während des Verbrennungsvorgangs und der Flammenausbreitung gewährleistet wird, jedoch eine niedrige Durchlässigkeit während der Ein- und Ausströmzeiten vorliegt. Die Ventilsteuerung kann auch dadurch erfolgen, dass gasdynamische Ventile oder mechanische Ventile eingesetzt werden, beispielsweise Tellerventile, Drehventile oder Schieberventile oder sogenannte „spherical valves“, also rotierende Ventile die als Kugel oder in der Grundform als Rotationskörper ausgestaltet sind. Die einzelnen Öffnungen 3 in der Trennwand 2 sind so angeordnet, dass ein Durchlässigkeitsprofil für optimale Spülung, Verbrennung und Effizienz entsteht.
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Die Oberflächen des Brennraums, also die Wandung des Zylinders und die beiden Kolbenböden 10, können in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Wärmedämmschicht versehen sein. Damit geht weniger Wärme verloren und das heiße, verbrannte Gemisch kann seine Wärme nicht an die kalten Wände abgeben. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad erhöht werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Trennwand nicht plan, sondern entlang ihrer Hochachse gewölbt. Diese Ausführungsform ist vor allem bei Verbrennungsmotoren mit einer ungeraden Anzahl von Ventilen vorteilhaft, wenn also beispielsweise die Einlassventile mehr Raum im Brennraum benötigen als die Auslassventile. Die Trennwand kann sich dann der Ventilgeometrie durch eine geeignete Wölbung entlang der Hochachse anpassen. Selbstverständlich muss auch die Tasche innerhalb des Gegenkolbens dann dieser Wölbung angepasst sein.
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Die Ventile können entweder klassisch betrieben werden, also durch eine Nockenwelle, welche von einer Kurbelwelle angetrieben wird, oder aber durch Aktoren oder pneumatisch oder elektropneumatisch. Bei einer Betätigung durch Aktoren oder bei pneumatischer Betätigung ergibt sich der Vorteil, dass der Verbrennungsmotor sowohl im Zweitakt- als auch im Viertaktprinzip betreibbar ist und während des Betriebs zwischen diesen beiden Betriebsarten umgeschaltet werden kann.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer geradlinig oszillierenden Bewegung beider Kolben erläutert. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Kolben auf gekrümmten Bahnen innerhalb eines gekrümmten Zylinders bewegen, also auf einer Kreisbahn.
