DE19812800A1 - Gegenkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Gegenkolben-Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine für große Stationär- oder Schiffsmotoren mit mindestens einem doppelten Verbrennungszylinder, in welchem zwei Kolben mittels zweier miteinander verbundener Kurbeltriebwerke gegenläufig arbeiten, wobei an einem Ende des Verbrennungszylinders ein Einlaß und an seinem anderen Ende ein Auslaß angeordnet sind. Dabei sind die beiden Kolben jeweils mittels einer Kreuzkopfführung in dem doppelten Verbrennungszylinder geführt, die beiden Kurbelwellen an den Enden mehrerer parallel angeordneter, langer ebener Platten gelagert, an deren Plattenebenen wiederum die Führungsschienen der Kreuzkopfführungen angeordnet sind, so daß an den doppelten Verbrennungszylindern keine Außenkräfte wirken und diese als eigene Baugruppen jeweils zwischen zwei Platten eingeschoben und arretiert sind. Auf diese Weise können Motoren mit äußerst niedrigem Fertigungsaufwand, großer spezifischer Leistung bei ausgeglichenen Massenkräften und höherem Wirkungsgrad gebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine große Gegenkolben-Brennkraftmaschine, die als Stationär- oder Schiffs-Dieselmotor verwendet wird. Diese Maschine weist min­ destens einen doppelten Verbrennungszylinder auf, in welchem zwei Kolben mittels zweier miteinander verbundener Kurbeltriebwerke gegenläufig arbeiten, wobei an einem Ende des Verbrennungszylinders ein Einlaß und an seinem anderen Ende ein Auslaß angeordnet sind.
Die großen Zweitakt-Dieselmotoren weisen eine sehr geringe spezifische Leistung bezüglich Gewicht und Bauvolumen auf und ihr Bau und ihre Instand­ setzung sind sehr aufwendig.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen großen Dieselmotor mit höherem Wirkungsgrad und höherer spezifischer Leistung anzugeben, der mit geringem Aufwand gebaut und instandgesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit Kreuzkopf­ führung der beiden Kolben gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Das neue Motorenkonzept basiert auf folgenden Gedanken:
  • 1. Durch einen Gegenkolbenmotor läßt sich eine größere spezifische Leistung bei höherem Wirkungsgrad erzielen.
  • 2. Bei einer Kreuzkopfführung der je zwei zusammenarbeitenden Kolben eines Gegenkolbenmotors wirken an dem doppelten Verbrennungszylinder keine nennens­ werten Kräfte von außen, so daß der doppelte Verbrennungszylinder der beiden Kolben nur arretiert werden muß, wodurch der Motor mit äußerst niedrigem Aufwand gebaut werden kann.
  • 3. Durch eine wesentliche Versetzung der Achsen der beiden Kurbelwellen auf beiden Seiten der Zylinderachse sind folgende Vorteile zu erzielen:
  • a) der Kurbelwinkel beim Arbeitstakt wird verlängert, wodurch der Wirkungs­ grad gesteigert wird;
  • b) die Spitzenwerte der Normalkräfte der beiden Kreuzkopfführungen an den Führungsschienen werden gemindert, wodurch die Reibungsverluste reduziert werden.
  • 4. Die beiden Kurbelwellen sind mittels einer achsial angeordneten Antriebs­ welle und zweier doppelter Kegelradgetriebe, die große Drehmomente übertragen können, miteinander verbunden.
  • 5. Durch neuartige Brennkammern wird der Verbrennungsprozeß der Dieselmotoren verbessert, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert sowie die Abgasemissionen und die Geräuschentwicklung reduziert werden.
Die Erfindung in ihren Einzelheiten wird nachfolgend anhand beiliegender sieben Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Horizontalschnitt, quer zu den beiden Kurbelwellen, eines Gegenkolben-Dieselmotors mit Kreuzkopfführung.
Fig. 2 einen Detailschnitt des Verbrennungszylinders von Fig. 1.
Fig. 3 einen Vertikalschnitt, parallel zu den beiden Kurbelwellen, einer Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit Kreuzkopfführung, wobei die beiden Kurbel­ wellen mittels zweier Kegelradgetriebe und einer achsial angeordneten An­ triebswelle miteinander verbunden sind.
Fig. 4 einen Detailschnitt der beiden Verbrennungszylinder von Fig. 2.
Fig. 5 einen Detailschnitt durch die Achse des Verbrennungszylinders quer zu den beiden Kurbelwellen einer Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit je zwei Einlaß- und Auslaß-Walzschiebern.
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Verbrennungszylinder eines Gegenkolben- Dieselmotors mit einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Brennkammer.
Fig. 7 einen Querschnitt durch den Verbrennungszylinder eines Gegenkolben- Dieselmotors, wobei links eine zweite und rechts eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Brennkammer dargestellt sind.
In Fig. 1 und 2 ist ein Horizontalschnitt quer zu den beiden Kurbelwellen 3 und in Fig. 3 und 4 ein Vertikalschnitt eines Gegenkolben-Dieselmotors mit Kreuzkopfführung der beiden Kolben gezeigt, wobei die beiden Kurbelwellen mittels zwei doppelten Kegelradgetrieben und einer achsial angeordneten An­ triebswelle 15 miteinander verbunden sind.
In einem doppelten Verbrennungszylinder 1 arbeiten die beiden Kolben 2 und 2a gegenläufig. Beide Kurbeltriebwerke bestehen jeweils aus einer Kurbelwelle 3, einer Pleuelstange 4 und einer Kreuzkopfführung 5, wobei die beiden Kurbel­ wellen 3 gleichsinnig rotieren.
Der doppelte Verbrennungszylinder 1 ist als eigene Baugruppe gestaltet und besteht aus je zwei zweiteiligen Laufzylindern 6 und 7 bzw. 6a und 7a, zwi­ schen welchen die Schmierung der Kolben erfolgt. Die je zwei Zylinderteile 6 und 7 bzw. 6a und 7a sind jeweils in einem Zylinder-Oberhemd 8 bzw. 8a mit dem Wassermantel 9 eingepreßt. Die beiden Zylinder-Oberhemden 8 und 8a sind mit­ einander zu dem doppelten Verbrennungszylinder verschraubt. An einem Ende des doppelten Verbrennungszylinders 1 ist der Einlaß 11 und an seinem anderen Ende der Auslaß 12 vorgesehen, die jeweils von den Kolben 2 bzw. 2a gesteuert werden. Die Laufphasen der beiden Kolben 2 und 2a sind gegeneinander so ver­ setzt, daß der Kolben 2b an der Auslaßseite zuerst OT erreicht und den Auslaß 12 öffnet und der Einlaß 11 erst dann von dem anderen Kolben 2a freigegeben wird, wenn der Druck im Verbrennungszylinder 1 gefallen ist.
Die beiden Kurbelwellen 3 sind jeweils an den Enden mehrerer parallel ange­ ordneter, langer und ebener Platten 10 gelagert, die durch Distanzstelzen 14, 14a, 14b übereinander wie in einem Regal angeordnet sind. Auf den Plattenebe­ nen sind jeweils die Führungsschienen 13 der Kreuzkopfführungen 5 der Kolben 2a und 2b angeordnet, so daß die doppelten Verbrennungszylinder 1 mit keinen nennenswerten Außenkräften belastet sind. Die Verbrennungszylinder 1 sind jeweils zwischen zwei Platten 10, wie Schubladen in einem Regal, eingeschoben und arretiert.
Die Achsen der beiden Kurbelwellen 3 sind auf beiden Seiten der Achse des doppelten Verbrennungszylinders 1 wesentlich versetzt, so daß der Kurbelwinkel beim Arbeitstakt verlängert und die Normalkräfte der Kreuzkopfführungen 5 der Kolben 2 und 2a an den Führungsschienen 13 reduziert werden.
Am Ende jeder Kurbelwelle 3 ist ein Kegelzahnrad 16 vorgesehen, in das zwei gegenüberliegende Kegelzahnräder 17 und 18 bzw. 17a und 18a eingreifen. Die je zwei Kegelzahnräder 17 und 18 bzw. 17a und 18a sind an je einem Teilstück 15a bzw. 15b angeordnet, die drehfest miteinander verbunden sind und eine achsial verlaufende Antriebswelle 15 bilden. Das eine Kegelzahnrad 17 bzw. 17a ist drehfest und das andere Kegelzahnrad 18 bzw. 18a frei laufend an der Antriebs­ welle 15 angeordnet. Zwischen den je zwei Kegelzahnrädern 17 und 18 bzw. 17a und 18a ist mindestens ein Kegelzahnrad 19 angeordnet, das an einer schwenkend justierbaren Achse 20 frei laufend gelagert ist, so daß das Drehmoment jeder Kurbelwelle 3 über je zwei Kegelzahnräder 17 und 18 bzw. 17a und 18a auf die Antriebswelle 15 übertragen wird. Durch diese doppelten Kegelzahnradgetriebe wird auch die Übertragung großer Drehmomente ermöglicht.
Am Auslaß 12 des doppelten Verbrennungszylinders 1 ist ein Turbolader 22 angeschlossen, der über einen Ladeluftkühler 23 vorverdichtete Ladeluft zum Einlaß 11 des Verbrennungszylinders 1 liefert. Dabei ist vorgesehen, daß der Luftverdichter des Turboladers 22 über eine Freilaufkupplung 24 auch von einem Elektromotor 25 angetrieben werden kann. Bei Anlassen, Leerlauf oder niedriger Teillast wird der Luftverdichter durch den Elektromotor 25 angetrieben, der bei höherer Teillast oder Vollast ausgeschaltet wird. Der elektrische Antrieb des Luftverdichters des Turboladers 22 kann auch zur Erzielung einer schnellen Beschleunigung der Maschine eingesetzt werden.
Dieser Motor erfordert einen geringeren Bauaufwand und Platzbedarf und ist außerdem sehr leicht instandzusetzen, weil all seine Komponenten, wie die beiden Kurbelwellen 3, die Pleuelstangen 4, die Kreuzkopfführungen 5, die Kolben 2 und 2a und sogar die doppelten Verbrennungszylinder 1, sehr leicht zu demontieren und zu ersetzen sind, ohne den gesamten Motor auseinandernehmen zu müssen.
In Fig. 5 ist ein Detailschnitt durch die Achse des Verbrennungszylinders, parallel zu den beiden Kurbelwellen eines Gegenkolben-Dieselmotors, mit je zwei Einlaß- und Auslaß-Walzschiebern 26 bzw. 27 gezeigt. Diese Walzschieber rotieren mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle 3, so daß größere Zeit­ querschnitte erreicht werden. Im Auslaßwalzschieber 27 ist eine achsiale Bohrung 28 für eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Durch die einfachen Walz­ schieber 26 bzw. 27 kann die Versetzung der Laufphasen der beiden Kolben reduziert und die Höhe der Durchlässe vergrößert werden, wodurch der Arbeits­ takt verlängert, der Gaswechsel erleichtert sowie der Wirkungsgrad gesteigert wird.
Diese Ergebnisse können auch nur durch Einlaß-Walzschieber erreicht werden, wobei diese Lösung bei Motoren, die Schweröl verbrennen, vorteilhaft sein kann. Die Kreuzkopfführung wird üblicherweise bei sehr großen Stationärmotoren eingesetzt, die überwiegend bei konstanter Drehzahl betrieben werden, so daß auf Walzschieber auch verzichtet werden kann.
In Fig. 6 ist der Querschnitt durch eine erste Variante einer erfindungsge­ mäßen Brennkammer für einen Zweitakt-Dieselmotor gezeigt. Durch je eine ring­ förmige Aussparung in den Kolben 2 und 2a ist im Verbrennungszylinder 3 eine ringförmige Brennkammer 30 ausgebildet, welche mit größerem Durchmesser als der Verbrennungszylinder 1 gestaltet ist. An der Stirnseite der beiden Kolben 2 und 2a sind ineinandergreifende spiralförmige Kanäle 31 bzw. 32 vorgesehen, so daß gegen Ende des Verdichtungstaktes die gequetschte Luft in der Brenn­ kammer 30 einen achsial rotierenden Drall ohne Füllungsverluste erzeugt. Der Brennstoff wird durch mindestens eine, vorzugsweise jedoch zwei Düsen 33 tangential in Drallrichtung eingespritzt, so daß er eine große Tiefe erreicht und über eine lange Strecke dünn auf der heißen Peripheriewand - die in ver­ schiedenen Formvarianten ausgebildet werden kann - aufgetragen wird.
In Fig. 7 sind die Querschnitte durch zwei weitere Varianten einer erfin­ dungsgemäßen Brennkammer für einen Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor gezeigt.
Bei der zweiten Variante (im Bild links) wird der Brennstoff durch minde­ stens eine, vorzugsweise jedoch durch zwei Düsen 34 in je ein bogenförmiges Rohr 35 eingespritzt. Dabei ist jedes Rohr 35 in einer Ausbuchtung am Außen­ rand des Verbrennungszylinders 3 so angeordnet, daß es vom Drall in der Brenn­ kammer 30 durchblasen wird und diesen zugleich weitmöglichst unbehindert läßt. Dabei wird der Brennstoff im Rohr 35 schnell erhitzt, tritt in vergastem Zustand aus und vermischt sich molekular rasch mit der Frischladung.
Bei der dritten Variante (im Bild rechts) wird der Brennstoff bereits in der Einspritzdüse, unmittelbar vor der Einspritzung in die Brennkammer 30, er­ hitzt. In einem Düsenhalter 36, unmittelbar vor der Düse 37, ist eine beid­ seitig dichtend abschließbare Brennstoffkammer 38 vorgesehen, in der der einzuspritzende Brennstoff in der Zeit zwischen den Einspritzvorgängen erhitzt wird. Die Brennstoffkammer 38, durch die die Düsennadel 39 läuft, endet mit der Einspritzdüse 37 und ist mit einer schaltbaren elektrischen Heizung 40 versehen. Die Brennstoffkammer 38 ist mittels der Düsennadel 39 durch eine kegelförmige Spitze vor der Düse und durch einen zylindrischen Schieber am anderen Ende beidseitig dichtend abschließbar, so daß der erhitzte Brennstoff nicht in die Brennstoffleitung zurücklaufen kann.
Die Wände der oben beschriebenen ringförmigen Brennkammern 30 für Diesel­ motoren sind mit einer wärmedämmenden, katalytisch wirkenden sowie NOx-absor­ bierenden Schicht 41 bezogen. Die Brennkammern 30 werden beim Anlassen durch eine elektrische Heizung 42 beheizt und zugleich durch die Wasserkühlung gut gekühlt, so daß sie schnell eine optimale Temperatur erreichen und beibehal­ ten. In die ringförmigen Brennkammern 30 eingespritzter Brennstoff wird schnell erhitzt und vergast und vermischt sich molekular rasch mit der Frisch­ ladung. Dadurch sind auch die Voraussetzungen für einen kurzen Zündverzug gegeben.
Nach Einleitung der Zündung wird die Flammenfront vom Drall in der ring­ förmigen Brennkammer 30 vorwärts getragen, so daß sich auch die nachfolgend einlaufenden Brennstoffteile erhitzen, vergasen und mit der Luft molekular vermischen. Durch die rasche molekulare Vermischung des Brennstoffs mit der Frischladung schon vor der Verbrennung ist eine vollständige, rußfreie Verbrennung gewährleistet. Bei der raschen, aber kontinuierlichen Verbrennung in den langen, ringförmigen Brennkammern 30 sind die Drucksteigerungsraten niedrig, so daß auch die Verbrennungsgeräusche reduziert sind. Durch den kontinuierlichen Verlauf des Verbrennungsprozesses werden außerdem extreme Temperaturspitzen vermieden, so daß weiterhin auch die NOx-Emissionen redu­ ziert werden.

Claims (15)

1. Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einem doppelten Verbren­ nungszylinder, in welchem zwei Kolben mittels zweier miteinander verbundener Kurbeltriebwerke gegenläufig arbeiten, und in dem an einem Ende der Einlaß und am anderen Ende der Auslaß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben (2 und 2a) jeweils mittels einer Kreuzkopfführung (5) in dem doppelten Verbrennungszylinder (1) geführt sind, wobei die beiden Kurbelwellen (3) jeweils an den Enden mehrerer parallel angeordneter, langer, ebener Plat­ ten (10) gelagert sind, an deren ebenen Flächen die Führungsschienen (13) der Kreuzkopfführungen (5) angeordnet sind, so daß an dem doppelten Verbrennungs­ zylinder (1) keine Außenkräfte wirken und dieser als eigene Baugruppe jeweils zwischen zwei Platten (10) eingeschoben und arretiert ist.
2. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der beiden Kurbelwellen (3), die in die gleiche Richtung rotieren, auf beiden Seiten der Achse des doppelten Verbrennungszylinders (1) wesentlich versetzt sind, so daß der Kurbelwinkel beim Arbeitstakt verlängert und die Spitzenwerte der Normalkräfte der Kreuzkopfführung (5) an den Führungsschienen (13) reduziert sind.
3. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende jeder Kurbelwelle (3) ein Kegelrad (16) mit je zwei gegenüberliegenden Kegelzahnrädern (17 und 18) verzahnt ist, wobei das eine Kegelzahnrad drehfest (18a bzw. 18b) und das andere freilaufend (17a bzw. 17b) an einer achsial verlaufenden Antriebswelle (15) angeordnet ist, wobei diese Antriebswelle (15) aus zwei drehfest miteinander verbundenen Teilstücken 15a bzw. 15b ausgebildet ist, und die je zwei gegenüberliegenden Kegelzahn­ räder (17 und 18) an der Antriebswelle (15) mittels mindestens einem quer angeordneten Kegelrad (19), das an einer schwenkend justierbaren Achse (20) frei laufend gelagert ist, miteinander verbunden sind.
4. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe (11) und Auslässe (12) des doppelten Verbrennungszylinders (1) jeweils durch zwei Walzschieber (26 bzw. 27) von außen gesteuert sind.
5. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Einlässe (11) des doppelten Verbrennungszylinders (1) durch Walz­ schieber (26) von außen gesteuert sind.
6. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzschieber (26, 27) mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle (3) rotieren.
7. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Walzschieber (27) eine Achsialbohrung (28) zur Flüs­ sigkeitskühlung vorgesehen ist.
8. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels je einer ringförmigen Aussparung am Kopf der beiden Kolben eine ringförmige Brennkammer (30) ausgebildet ist, die auch einen größeren Durch­ messer als der Verbrennungszylinder haben kann, und daß auf beiden Kolbenköpfen ineinandergreifende spiralförmige Kanäle (31, 32) vorgesehen sind, so daß die gequetschte Luft am Ende des Verdichtungstaktes einen achsial rotierenden Drall der Frischladung in der Brennkammer (30) erzeugt.
9. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch mindestens eine Einspritzdüse (33) tangential in Drallrichtung an der Peripheriewand der Brennkammer (30) eingespritzt wird.
10. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff jeweils mittels einer Einspritzdüse (34) in mindestens ein bogenförmiges Rohr (35) eingespritzt wird, wobei das Rohr (35) in einer bogen­ förmigen Ausbuchtung an der Peripherie der Brennkammer (30) so angeordnet ist, daß das Rohr (35) vom Drall der Frischladung durchblasen wird und zugleich den Drall möglichst wenig behindert.
11. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Düsenhalter (36), unmittelbar vor der Einspritzdüse (37), eine beidseitig dichtend abschließbare Brennstoffkammer (38) vorgesehen ist, so daß in der Zeit zwischen den Einspritzvorgängen der einzuspritzende Brennstoff erhitzt wird.
12. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düsennadel (39) durch die Brennstoffkammer (38) verläuft und diese vor der Einspritzdüse (37) mit einer Kegel spitze und am anderen Ende durch einen zylindrischen Schieber beidseitig dichtend abschließt.
13. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffkammer (38) eine elektrische Heizung (40) vorgesehen ist, die den Brennstoff in der Brennstoffkammer (38) zumindest zeitweilig erwärmt.
14. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Brennkammer (30) mit einer wärmedämmen­ den sowie katalytisch wirkenden und/oder die Abgasemissionen absorbierenden Schicht (41) bezogen ist.
15. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Peripheriewand der ringförmigen Brennkammer (30) durch eine elektrische Heizung (42) zumindest zeitweilig beheizbar ist.
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