DE19651069C2 - Ölloser und ungekühlter Dieselmotor ohne Kolbenringe mit adiabater Arbeitsweise - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Diesel-Einspritz- Verbrennungsmotoren in Kolbenbauform ohne Kolbenringe, ohne Ölschmierung zwischen Arbeitskolben und Zylinder und ohne Kühlung des Arbeitszylinders.

Ein solcher wärmedichter Brennraum bei einem Verbrennungsmotor wird auch adiabater Verbrennungsmotor genannt, da Druck-, Volumen- und Temperatur-Änderung im Verbrennungsramm ohne Abführung von Wärme durch den Brennraumzylinder erfolgt.

In den USA wird ein solcher Motor "Low-Heat-Rejection (LHR) engine" genannt.

In den USA wurde in 1987 beim International Congress and Exposition in Detroit das SAE Paper 870018 vorgelegt unter dem Titel "Adiabatic Engine Trends - Worldwide" von Roy Kamo und anderen. In diesem Paper wird ausgeführt: "Das größte Einzelproblem dem adiabaten Motor entgegenstehend ist das Hochtemperatur-Schmier-Problem. In der Fläche des obersten Kolbenring-Umkehrpunktes entstehen auf der inneren Zylinderoberfläche Temperaturen um 550°C bei einem ungekühlten adiabaten Motor, verglichen mit nur 200°C für den konventionellen wasser-gekühlten Motor". Unter Beibehaltung der bisherigen Kolbenbauform und Anwendung wird nur die Möglichkeit einer Gasschmierung zwischen Kolben und Zylinder als Lösung erörtert.

Trocken und ungeschmiert laufende Kolben aus Keramik auf Zylindern aus Keramik mit dem Zerbrechen der Teile waren schon vorgestellt worden 1983 im SAE Paper 830313.

Das SAE Paper 870651, ebenfalls vorgestellt 1987 in Detroit, beschreibt einen adiabaten Keramik-Diesel-Motor der Ford Motor Comp. mit einer Gasfilm-Schmierung zwischen Kolben und Zylinder, ungekühlt, ohne Kolben­ ringe und ohne Öl sogar im Kurbelwellengehäuse, was erforderlich ist weil die Leckage aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse fließt.

Diese Bauform wird von der Ford Motor Comp. in den USA in 1988 zum Patent angemeldet und unter 4 846 051 in 1989 zum Patent erklärt. In dieser Patentschrift wird auf die Erfindung Strach aus 1984 unter DE 33 03 229 verwiesen. Öllose und berührungslose Kolben mit Gasströmung zwischen Kolben und Wand waren patentiert worden unter Strach in Deutschland 1960 Nr. 1158753 und in England 1963 Nr. 982470.

In der sehr umfassenden Patentschrift US 4846051 der Ford Motor Comp. wird bei einer "low heat rejection engine" sogar eine maximale innere Oberflächentemperatur genannt von 871°C und dabei würde ein Öl, benutzt als Kolbenschmiermittel, durch Pyrolyse zerstört werden.

In der gleichen Patentschrift wird ausgeführt "...unglücklicherweise ist es sehr schwierig zu erreichen und unterhalten einen dichten und gleichförmigen ringförmigen Spalt während aller Aspekte der Motoren- Operation... der Gasfilm ist gering während Auspuff- und Einlaß-Takt... der Gasfilm ist hoch im Druck während Expansions- und Kompressionstakt. Die daraus resultierenden Lageveränderungen des Kolbens im Zylinder während der verschiedenen Takte werden in Zeichnungen dargestellt.

In der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß der konventionelle Führungs- und Arbeitskolben unterteilt wird in einen geschmiert laufenden Führungskolben und einen ungeschmiert und ohne Kolbenringe laufenden Arbeitskolben mit geringerem Durchmesser und der Arbeitskolben als Doppelwirbel-Brennraum ausgebildet ist und der Arbeitskolben sich berührungslos und absolut zentrisch während aller Takte des 4-Takt-Diesel-Verfahrens in einem ungekühlt wärmedichten Zylinder bewegt.

Der Arbeitskolben wiederum besteht der Form nach aus einer Anordnung von Werkstoffen geeignet für die Hochtemperaturverbrennung im Doppel­ wirbel-Brennraum und weiterhin die unterschiedlichen Betriebszustände, sowohl bei kaltem wie auch heißem Betriebszustand hinsichtlich der Wärmedehnungen, funktionsmäßig zu gewähren.

Bei konventionellen Motoren werden die Wärmedehnungen funktionsmäßig kompensiert mit Oval-Kolben und Kolbenringen und die sonstigen Erforder­ nisse sind anschaulich beschrieben von H. Grohe in "Otto- und Diesel- Motoren", Vogel-Verlag, S. 157, nebst dem Hinweis "die Kolbenkonstruktion kann nur eine Kompromißlösung sein", was den Stand der Technik eindeutig reflektiert.

Der heutigen Bauweise von Kolbenmotoren wird ein "Dampfmaschinen-Blick" unterstellt (A. Knie: Diesel-Karriere einer Technik, Wissenschaftszentrum Berlin für Sozialforschung, S. 30 usf), angeblich zurückgehend auf die Veröffentlichung in 1824 von Sadi Carnot "Réflexions sur la puissance motrice du feu...", welche als genaue Übersetzung seit 1892 vorliegt mit dem Titel "Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers...". Darin ist kein Wort zu finden über die technische Gestaltung von Wärmemaschinen, eindeutig: "... wir sagen nichts mehr über diesen Gegenstand, da unsere Aufgabe nicht ist, auf die Einzelheiten der Construction von Wärmemaschinen einzugehen..." und zuvor "...hierzu wäre aber erforderlich, allein durch die Volumänderung des festen Körpers erhebliche Temperaturänderungen hervorzubringen, wenigstens, wenn man einen erheblichen Abfall der Wärme ausnutzen wollte: und dies scheint unausführbar...".

Dr. A. Knie schreibt 1991: "...die Vorteile, die man sich in der Automobil­ industrie gerade durch die Verwendung bekannter Bauformen verspricht, drohen angesichts der enormen Umweltprobleme... durch selbstgemachte Sachzwänge in eine Sackgasse zu führen... es erscheint möglich... daß der klassische Hubkolbenmotor und die grundlegenden Prinzipien des Verbrennungsmotorenbaues erst gar nicht mehr zur Disposition gestellt werden und mit der Ausweisung dieser versiegelten 'Wissensbestände' im 'herrschenden Stand der Technik' eine Art Denkmalschutz betrieben wird...".

Der Einsatz keramischer Motorenbaustoffe für Kolben und Zylinder war ein Versuch einer Abkehr, wichtige Daten mit Materialkennwerten wurden veröffentlicht z. B. in MTZ 5/1985, darin ferner konventionelle Kolben mit Kolbenringen, auf einer Ölschicht wie bisher betrieben, Anwendung als Diesel-Direkt-Einspritzer, Aluminium-Kolben mit keramischem Kolben­ einsatz.

Über Versuchsergebnisse dieser Kolbenbauform wurde berichtet mit dem Titel "Wärmegedämmter PKW-Dieselmotor mit Abgasenergienutzung" I-30 bis I-41, Forschungsbilanz 1986, TÜV-Rheinland: gegenüber der reinen Metallmulde entsteht ein verkürzter Zündverzug, damit eine Erhöhung der primären Rußbildung und schwer brennbarer Crackprodukte, führt ferner zu einer verschleppten Verbrennung.

Mit diesen Ergebnissen wird dann gleich die Realisierung des adiabaten Verbrennungsmotors gänzlich - unter Literaturbezug - infrage gestellt. In Wirklichkeit war nur konstruktiv eine falsche Materialzuordnung vorgenommen worden, unabhängig von der Erkenntnis, daß das bisherige Hubkolbensystem sich überhaupt nicht für den adiabaten Motor eignet, ebenso nicht die bisher eingesetzten Werkstoffe, ebenso nicht die bisherige Bauform von Kolben und Kolbenringen, wie SAE Paper 870651 zeigt.

Diese Fehlkonstruktion eines isolierten Kolbens in einem Diesel-Direkt- Einspritzer mit Kolbenringen und Ölschmierung, Kolben aus Aluminium, führte zu einem Negativ-Bericht in MTZ 12/1986, zu einer Dissertation TU München 1987 und zu einer vernichtenden Beurteilung des adiabaten Motors in MTZ 7/8/1988 und zum Ende jeglicher Publikation in MTZ, so der Chefredakteur. Über andere Bauformen und Material für die Realisierung des adiabaten Verbrennungsmotors berichten die Patentanmeldungen aus 1990 von Strach P 40 01 926 und P 40 14 036, ferner das Patent Strach ab 1985 Nr. 3538532.

Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor und da besonders der Diesel mit der erforderlichen hohen Verdichtung für die Selbstzündung muß im kalten und warmen Zustand gestartet werden und betrieben werden und bei dem absolut notwendigen Fortfall von Kolbenringen und Schmierung sind nur noch Materialwerte wichtig hinsichtlich ihrer Wärmedehung und beim adiabaten Betrieb hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit, allem überlagert selbstverständlich die mechanische Festigkeit und die Thermoschockver­ träglichkeit.

Extremen Anforderungen entsprechen Materialien wie Nilo 42, GGG-NiCr 353, Graphit und Quarzglas mit Wärmedehnung von 5 bis 0,5.10^-6/K und Wärmeleitfähigkeit von 12,6 bis 1,5 W/mK in der gleichen Folge.

Für reale Funktionserprobungen wurden mit diesen Materialien eine Umänderung vorgenommen an einem 1-Zylinder-Einspritzdiesel von Farymann mit Doppelwirbel-Brennraum im Kolben, 290 cm³ Hubraum, 5 kW bei 3600 Upm., Verdichtung 1 : 20 und Versuche gefahren, ungekühlt und öllos.

Absicht dieser Bauweise ist der mögliche Betrieb als 1-Zylinder-Motor ebenso wie als Mehr-Zylinder-Motor, Absicht ist ferner der einfache Umbau bestehender Diesel-Motore ohne Veränderung der Kurbeltriebe und Pleuel und ohne Veränderung der Ventile und Steuerungen, Absicht ist die Vermeidung der Entstehung krebsauslösenden Benzpyren aus der Ver­ brennung der bisherigen Ölschmierschicht, Absicht ist die Minderung der CO₂-Entstehung infolge der Minderung des spezifischen Brennstoff­ verbrauches bei einem adiabat arbeitenden Motor, Absicht ist die Verwendung von Bio-Diesel - was bereits erfolgte - und weitere Absicht ist die erstmalige Anwendung einer laser-spektroskopischen Untersuchung der Verbrennungsvorgänge im Zylinder-Inneren durch einen Quarzglaszylinder hindurch im Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg, somit erstmals im status nascendi eine motorische Verbrennung zu beobachten und zu optimieren.

Der Verlag TÜV-Rheinland schreibt in "Verdrängermaschinen" Teil II Hub­ kolbenmotoren auf S. 305: "... Die im Dieselbrennraum ablaufenden Verbrennungsvorgänge sind auch heute noch nicht genügend erforscht, so daß man bei bekanntem Einspritzverlauf nicht unmittelbar auf die sich daraus ergebende Energiefreisetzung schließen kann. Es lassen sich lediglich aus den bekannten chemischen Verbrennungsgleichungen bei Vorliegen einer Brennstoff- und Abgasanalyse die im Brennraum vorhanden gewesenen mittleren Luftverhältnisse ermitteln.

Die Fig. 1 zeigt den konstruktiven Aufbau der Erfindung.

Ein normaler Kurbeltrieb bewegt über Pleuel 1 und Kolbenbolzen den Führungskolben 2, welcher sich oszillierend im Führungszylinder 3 bewegt.

Die Berührungs- und Laufflächen von Führungskolben 2 und Führungszylinder 3 werden in bekannter Art durch das Spritzöl aus dem Kurbelgehäuse geschmiert.

Führungskolben 2 und Führungszylinder 3 unterliegen keiner Wärmedehnung aus der motorischen Verbrennung, sodaß ein enger Laufsitz gewählt werden konnte, z. B. H6/g5. Der Führungszylinder ist aus Bronze.

Zur funktionsmäßigen Weiterleitung dieser genauen oszillierenden Bewegung und der Vermeidung jeglicher wärmebedingter Desachsierung wurde für den Führungskolben 2 Nilo 42 gewählt mit einer Wärmedehnung von 5.10^-6/K und Wärmeleitfähigkeit von 10,5 W/mK.

Der Führungskolben 2 ist am oberen Teil konstruktiv zu einem Tragteil 2a ausgebildet worden. Auf diesem ist verschraubt aus gleichem Material Nilo 42 das Teil 4, die Verschraubung liegt im wärmeneutralen Bereich. Teil 4 ist der metallische Doppelwirbel-Brennraum und gleichzeitig mit einer Kragenausbildung die Axialbefestigung des Arbeitskolben 5.

Der Arbeitskolben 5 bewegt sich somit ebenfalls oszillierend ohne Kolbenringe, öllos und berührungslos im Arbeitszylinder 6.

Der Arbeitskolben 5 kann aus verschiedenen Materialien gefertigt sein: Quarzglas, Elektrographit oder Kohlenstoffgraphit.

Der Arbeitszylinder 6 kann gefertigt sein aus: Quarzglas - was erforderlich für laser-spektroskopische Untersuchungen - oder aus Nilo 42 oder aus GGG-NiCr 353, bekannt bei Gasturbinengehäusen.

Wesentlich ist nun, daß der Durchmesser des Arbeitskolben 5 kleiner ist als der Durchmesser des Führungskolbens 2: Die Länge des Arbeitskolbens 5 wird bestimmt von der erforderlichen Verdichtung von z. B. 20 beim Anlassen und des dabei auftretenden Druckverlustes bei der geringen Anlassdrehzahl.

Da weiterhin der Führungskolben 2 mit seinem Tragteil 2a eine minimale Masse ergeben sollen, muß die Gesamtlänge ebenfalls kurz ausgeführt werden. Da der geschmierte Führungskolben 2 nicht in den Bauraum des Arbeitszylinders 6 treten darf - weil sonst Öltransport dorthin möglich wäre, muß der im Durchmesser kleinere Arbeitskolben 5 in den Bauraum des Führungszylinders 3 treten. Der dabei in diesen Bauraum eintretende Teil des Arbeitskolbens 5 ist nicht Träger einer hohen Temperatur wie am Kopf des Arbeitskolbens 5 und beeinflusst somit nicht die vorhandene Schmierschicht im oberen Teil des Führungszylinders.

Die Berührungslosigkeit zwischen Arbeitskolben 5 und Arbeitszylinder 6 kann bei der Paarung Quarzglas - Quarzglas durch genaue Einzelteil­ fertigung hergestellt werden.

Bei einem Arbeitskolben aus Elektrographit und einem Arbeitszylinder aus Nilo 42 oder GGG-NiCr 353 erfolgt eine stramme Einpassung des Arbeits­ kolbens 5 mit einem Freireiben im Abstand 0 infolge der Differenzen der Paarungen hinsichtlich Wärmeausdehnungszahl und Wärmeleitfähigkeit.

Die radiale Zentrierung des Arbeitskolbens 5 im Tragteil 2a des Führungskolbens 2 berücksichtigt auch bei annähernd gleichen partiellen Körpertemperaturen die leicht höhere Wärmeausdehung als die des möglichen Quarzglases oder Kohlenstoffgraphits der Arbeitskolbenausführung.

Das gleiche gilt für die axiale Befestigung des Arbeitskolbens 5 mittels des Teiles 4.

Das Teil 4 als Doppelwirbel-Brennraum hat eine breite Auflage auf dem Tragteil 2a des Führungskolbens 2 und ist weiterhin nach unten dem Ölzutritt geöffnet. Somit besteht eine gute Wärmeabfuhr.

Dadurch wird eine Extremtemperatur des Doppelwirbel-Brennraumes ver­ meidbar mit den Nachteilen, wie beschrieben in MTZ 5/1985, 12/1986 und 7/8/1988.

Ein Betrieb als adiabater Dieselmotor ist dadurch nicht verhindert, denn die Abführung von Wärme durch den Arbeitszylinder 6 wird behindert mittels der geringen Wärmeleitfähigkeit der aufgezählten Materialien oder aber eines Materials mit zusätzlicher äußerer Isolierung.

Es könnte ein Stahl verwandt werden für den Arbeitszylinder mit Wärmeleitfähigkeit von 14 W/mK - was bereits erprobt wurde - wobei dann aber die hohe Wärmedehnung von ca. 16.10^-6/K beim Anlassen im warmen Zustand Schwierigkeiten ergeben könnte zur Erreichung der Verdichtung von 1 : 20.

Fig. 2 zeigt dann als Anlasshilfe einen Zylinderring 7, welcher mittels Gasdruck oder mechanischer Anstellung zugestellt wird um den Arbeitskolben herum bis zum Erreichen der höheren Leerlaufdrehzahl und dann bei Nachlassen der Zustellkraft selbständig sich öffnet. Bei normalen Leerlaufdrehzahlen ist der Zeitanteil zu gering für ein störendes Absinken der erforderlichen Verdichtung.

Der Arbeitszylinder kann aus einem unteren Teil aus Nilo 42 bestehen und aus einem oberen Ring aus Quarzglas für die spektroskopischen Untersuchungen. Wesentlich ist dabei, daß keine Ölschmierschicht im inneren des Arbeitszylinders 6 die spektroskopischen Untersuchungen behindert oder verfälscht, wie bei anderen Ausführungen bekannt geworden ist.

Unabhängig von der Überlappungsbewegung des Arbeitskolbens in den größeren Durchmesser des Führungskolbens ist zwischen Führungszylinder 3 und Arbeitszylinder 6 ein Ringraum mit noch größerem Durchmesser als der des Führungszylinders 3 eingerichtet und in diesem wird das vom Führungszylinder oszillierend abgestreifte Schmieröl nach außen zum Abfluss gebracht und damit weiterhin ein Eintreten von Schmieröl in den Arbeitszylinder 6 verhindert.

Bei den Motorversuchen zeigte sich bei der Demontage ein völlig ölfreier Innenraum des Arbeitszylinders 6.

Arbeitsprobleme in den verschiedenen Takten des Diesel-4-Takt-Motors, wie von Ford Motor Comp. in der Patentschrift US 4846051 beschrieben, waren bei den Motorversuchen nach vorliegender Erfindung nicht zu beobachten. Der Versuchsmotor lief beliebig schnell und schnell veränderbar zwischen Leerlauf und Höchstdrehzahl.

Claims (9)

1. Ölloser und ungekühlter Dieselmotor ohne Kolbenringe in Kolbenbauform und Bewegung mittels bekannter Pleuel- und Kurbelwellentechnik, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aufgeteilt ist in einen Teil als Führungsteil, ohne Beeinflussung durch die motorische Verbrennungswärme und in einen Traganteil für die Aufnahme des Arbeitskolbens und eines Formteiles als Doppelwirbel-Brennraum und dieser so gebildete Kolben aus einer Metall-Legierung besteht mit sehr geringer Wärmeausdehnungszahl alpha.

2. Ölloser und ungekühlter Dieselmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Motor aus zwei Zylindern in koaxialer Bauweise besteht aus ungleichen Materialien und zwar der Führungszylinder aus Gleitmaterial wie Bronze und der Arbeitszylinder für den Betrieb als adiabater Motor aus einem Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit wie Quarzglas oder Nilo 42, einer Metall-Legierung mit sehr geringer Wärmeausdehnungszahl alpha oder einer anderen Metall-Legierung mit einer äußeren zusätzlichen Isolierung.

3. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor ohne Kolbenringe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß diese Bauform eingesetzt wird auch in Ottomotoren mit Direkteinspritzung, Saugeinspritzung und Vergaserbetrieb.

4. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil als Doppelwirbel- Brennraum aus einer Metall-Legierung besteht mit sehr geringer Wärmeausdehnungszahl alpha und daß dieses Teil fest verschraubt ist mit der Kolbenbauform und keine Freiheitsgrade hat außer der oszillierenden Bewegung und daß dieses Teil mittels des Spritzöles aus der Kurbelbewegung gut kühlbar ist.

5. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Arbeitszylinders kleiner ist als der Durchmesser des Führungszylinders.

6. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben ebenfalls ohne Freiheitsgrad genau koaxial zum Führungskolben und Führungszylinder montiert ist im Traganteil des Kolbens und aus einem Material besteht mit geringer Wärmeausdehnungszahl alpha und geringem spezifischen Gewicht wie Quarzglas, Elektrographit oder Kohlen­ stoffgraphit und daß der Arbeitskolben keine Berührung hat zum Arbeitszylinder und der Abstand zwischen beiden gegen 0 gehen kann mittels einer genauen mechanischen Bearbeitung oder mittels Einschleifen im Schleppbetrieb, ausgehend von einem Übermaß bei der Montage und in Verbindung und Einwirkung einer Wärmedehnung.

7. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder bestehen kann aus einer Kombination eines Ringes aus Metall und eines Ringes aus Quarzglas für laser-spektroskopische Untersuchungen.

8. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen Körperkontakte zwischen dem Tragteil des Kolbens und dem Bauteil des Doppel­ wirbel-Brennraumes und dem Arbeitskolben eine Wärmeabfuhr aus diesen beiden Bauteilen ergeben und damit eine Verringerung der jeweils partiellen Wärmedehnung im Teil des Arbeitskolbens.

9. Ölloser und ungekühlter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2 bzw. 3 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anwendung eines Materials für den Arbeitszylinder mit größerer Wärmeausdehnungszahl alpha als Starthilfe bei geringen Drehzahlen ein Zylinderring den Arbeitskolben beim Starten umschließt und nach dem Erreichen einer höheren Drehzahl in seiner Wirkung neutralisiert wird.