DE202012005573U1

DE202012005573U1 - Brennraum für Gegenkolbenmotor

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Publication number: DE202012005573U1
Application number: DE202012005573U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-07-10
Anticipated expiration: 2022-06-06

Abstract

Brennraum für Gegenkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, dass der Brennraum in seiner Form und Ausrichtung entsprechend der Geometrie von klassischen Hubkolbenmotoren ausgebildet ist, deren Zünd- oder Einspritzorgane in einem Zylinderkopf angebracht sind, was erreicht wird dadurch, dass die Zylinderwand des Gegenkolbenmotors als virtueller Zylinderkopf verstanden wird, wodurch eine konventionelle Brennraumgeometrie entsteht, die nun jedoch nicht wie üblich in Bewegungsrichtung der Kolben ausgerichtet ist, sondern als Ganzes im rechten Winkel gedreht dazu.

Description

Konventionelle Hubkolbenmotoren mit gesteuertem Gaswechsel durch Ventile im Zylinderkopf und ebenfalls dort angebrachten Zünd-, bzw. Einspritzorganen, unterscheiden sich damit grundsätzlich von Gegenkolbenmotoren, welche keine Zylinderköpfe aufweisen. Bei diesen Gegenkolbenmotoren muss deshalb die Zu- und Abführung der Gase im Zylinder durch Schlitze oder Durchbrüche in den Zylinderwänden erfolgen. Die Organe für die Kraftstoffzufuhr bzw. die Zündung des Gemisches müssen ebenfalls seitlich an den Zylinderaußenseiten angebracht werden. Dies erfordert einen von konventioneller Technologie abweichenden Mischvorgang und die Entwicklung von neuen Brennraumformen mit seitlichen statt zentral angeordneten Zünd- und Einspritzorganen.
Im Vergleich zu den marktüblichen Hubkolbenmotoren, insbesondere Dieselmotoren, ist die Gemischbildung bei Gegenkolbenmotoren weit weniger gründlich untersucht und analysiert. Es bedarf daher noch eines großen Forschungs- und Entwicklungsaufwandes, um eine optimale Brennraumgeometrie auch hinsichtlich der Lage der Einspritzdüse, der Drallbildung und der Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum zu bestimmen.
Bei diesen Bemühungen geht man, insbesondere bei Dieselmotoren, gewohnheitsmäßig davon aus, dass der Brennraum sich auf der Stirnseite der Kolben befindet, wobei er jedoch bei Gegenkolbenmotoren für eine am Zylinderrand sitzende Einspritzdüse nicht mehr in gewohnter Weise erreichbar ist. Das hat unter anderem zur Folge, dass der Kraftstoff von der Brennraum-Außenwand in Richtung Brennraummitte eingespritzt werden muss, statt – wie üblich – umgekehrt von einer zentral angeordneten Düse in Richtung Brennraum-Außenwand. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass man mit nur einer Einspritzdüse – auch mit mehreren Löchern – nicht den ganzen Brennraum gleichmäßig durchmischen kann, weil hierzu eine unterschiedliche Strahllänge und Intensität erforderlich wäre. Deshalb werden oft mehrere, am Zylinderaußendurchmesser angeordnete Zünd- oder Einspritzorgane verwendet, um eine bessere Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, langerprobte Brennraumgeometrien und Anordnungen von Einspritz- und Zündorganen für Gegenkolbenmotoren analog zu übernehmen und damit für die Gemischbildung weitgehend ähnliche Bedingungen zu schaffen, wie sie bei heutigen Serienmotoren bereits vorliegen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die gesamte klassische Brennraumgeometrie samt der Lage der zugehörigen Einspritz- oder Zündorgane so gedreht wird, so dass die Zylinderwand virtuell nun die Zylinderkopfunterseite darstellt, d. h. der Brennraum wird nicht von der Kolbenstirnseite eingebracht, sondern von der Feuerstegseite, also vom Kolbenumfangsbereich oberhalb des ersten Kolbenrings.
Da der Brennraum auf beide Kolben aufgeteilt ist, bleibt – im Gegensatz zu herkömmlichen Brennräumen – die Brennraumgeometrie jedoch hier nur solange erhalten, wie sich die beiden Kolben im Bereich des oberen Totpunktes befinden, d. h. bis der Misch- und Verbrennungsvorgang abgeschlossen ist. Wenn sich die Kolben vom oberen Totpunkt entfernen, zieht sich ein solcher Brennraum wieder in zwei Teile auseinander. Vorteilhaft ist dabei, dass das Gas nicht wie gewohnt über die der Düse zugewandte Brennraumöffnung ein und ausströmt, sondern überwiegend über die Querteilung des Brennraumes an den Stirnseiten der Kolben. Dadurch kann die Brennraumöffnung ohne Strömungsverluste erheblich verkleinert und damit noch besser an die Einspritzgeometrie angepasst werden oder sogar einer Kugelform angenähert werden, welche das günstigste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen darstellt. Um die Länge der Einspritzstrahlen vor Erreichen der Brennraumwände zu vergrößern, kann der Brennraum hier erheblich tiefer ausgeführt werden, ohne dass dadurch die Kolbenhöhe vergrößert werden muss. Falls erforderlich kann der verbleibende Kolbenspalt im oberen Totpunkt so an der Teilungsstelle durch einen Kragen abgedeckt werden, so dass ein Eindringen von Kraftstoff in den Spalt während der Einspritzung vermieden wird. Erfindungsgemäß können unter Wahrung herkömmlicher Brennraumverhältnisse auch Glühstifte oder andere Starthilfsvorrichtungen angebracht werden. Im Gegensatz zur konventionellen Technologie, hat man aber für die Position des Glühstiftes eine weitaus freiere Wahl, da dieser praktisch an jeder Stelle vom Feuersteg aus in den Brennraum hineinreichen kann.
Ein großer Vorteil von Gegenkolbenmotoren hinsichtlich ihrer Effizienz ist das günstige Verhältnis von geringer Brennraumoberfläche zu großem Brennraumvolumen, woraus geringere Wärmeverluste resultieren. Im Prinzip können jedoch auch zwei oder mehr Brennräume der erfindungsgemäßen Art vorhanden sein, die dann jeweils ihre eigene Einspritzung aufweisen.
Die Erfindung wurde entwickelt und ist gut geeignet für Viertakt-Diesel-Gegenkolbenmotoren mit Steuerung des Gaswechsels durch Schiebebüchsen, wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2004 032 452 A1 und dem US-Patent US 2008/0115771 A1 beschrieben, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Im Prinzip ist die Erfindung anwendbar auf alle Arten von selbst- oder fremdgezündeten, im Zwei- oder Viertaktverfahren arbeitenden Gegenkolbenmotoren.
Bildbeschreibung
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gegenkolbenmotor. Die Kolben 1 und 2 – hier im oberen Totpunkt stehend gezeigt – bewegen sich gegenläufig in einem aus zwei Kurbelgehäusen 3 und 4 und zwei Zylinderhälften 5 und 6, sowie einem Zylindermittelteil 7 zusammengebauten Gehäuse. Die Kolbenbewegung wird über die Pleuel 8 und 9 auf die Kurbelwellen 10 und 11 übertragen, welche durch einen hier nicht gezeigten Rädertrieb synchronisiert sind. Der Gaswechsel erfolgt in bekannter Weise mittels der gesteuerten Schiebebüchsen 12 und 13, wodurch die Gase über die Ringkanäle 14 – hier in geöffneter Stellung gezeigt – und 15 – hier geschlossen gezeigt – ein- und ausströmen können. Am Rand des Zylindermittelteils 7 im Bereich der oberen Kolbentotpunkte ist der Injektor 16 angebracht, welcher mit einer Mehrloch-Einspritzdüse ausgerüstet ist, die in den Brennraum einspritzt, welcher durch zwei Brennraumhälften 17 und 18 in den Kolben 1 und 2 gebildet wird. Die geometrischen Verhältnisse entsprechen hier denen von klassischen Dieselmotoren, jedoch um 90 Grad gedreht.
2 zeigt ausschnittsweise aus 1 den Injektor 16, sowie einen Querschnitt der beiden Gegenkolben 1 und 2 in ihrer Stellung im oberen Totpunkt. Die Draufsicht 19 auf Kolben 1 zeigt die offene Brennraumhälfte 17. Diese ist hier einseitig mit Nuten 20 versehen, welche so ausgebildet sind, dass beim Einströmen der komprimierten Luft in den Brennraum ein Drall um die Symmetrieachse des Brennraumes entsteht.
3 zeigt – analog 2 – Injektor 16 und die Kolben 1 und 2, jedoch sind hier die Kolben mit einem Kühlkanal 21 für Spritzöl versehen, das über die Bohrung 22 eintritt und über die Bohrung 23 wieder austreten kann.
4 zeigt, dass an jeder Stelle des Kolbenumfangs am Feuersteg der Brennraum, gebildet durch die Brennraumhälften 17 und 18, angebracht sein kann. Hier sind die beiden Kolben 1 und 2 im Vergleich zu den vorausgehenden Bildern um 90 Grad gedreht gezeigt.
5 zeigt die Kolben 1 und 2, in denen die Brennraumhälften 17 und 18 in eingeschraubten Kolbenoberteilen 24 und 25 untergebracht sind. Das erlaubt unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Stahl für die Kolbenoberteile 23 und 24 und Aluminium für die Kolben 1 und 2.
6 zeigt – analog 5 – die Kolben 1 und 2, in denen die Brennraumhälften 17 und 18 in eingeschraubten Kolbenoberteilen 24 und 25 untergebracht sind. In diesem Beispiel dient der zur Gewichtsverminderung eingebrachte Hohlraum 21 auch als Kühlkanal, der mit Spritzöl versorgt wird, das durch Bohrung 22 eintritt und Bohrung 23 wieder austritt.
7 zeigt die Kolben 1 und 2, in denen sich die Brennraumhälften 17 und 18 in vergrößerten eingegossenen Ringträgern 26 und 27 befinden. Die Draufsicht 37 auf Kolben 1 zeigt die Positionierung einer Glühkerze 38 zusätzlich zum Injektor 16. Die Glühkerze 38 kann an jeder Stelle des Feuersteges am Kolben angebracht sein, auch gegenüber des Injektors 16. Sie muss nur bis in die Brennraumhälften 17 und 18 hineinreichen.
8 zeigt – analog 7 – die Kolben 1 und 2, in welchem die Ringträger 26 und 27 nicht nur die Brennraumhälften 17 und 18 nebst obersten Kolbenring aufnehmen, sondern den kompletten Ringsatz.
9 zeigt den Sonderfall eines ungeteilten Brennraums 28, der sich vollständig in Kolben 1 befindet. Die Draufsicht 29 zeigt, dass hier das Gas durch eine stirnseitige Bohrung 30 eintritt, die zwecks Drallerzeugung außermittig versetzt ist. Man kann dieses Bild auch als Beispiel für einen Kammermotor sehen, nur dass sich hier die Kammer nicht im Zylinderkopf, sondern im Kolben befindet. Die Aufteilung des Brennraumvolumens innerhalb und außerhalb der Kammer und die Erzeugung einer Verwirbelung durch Größe und Richtung der Eintrittsbohrung ist ebenso möglich, wie bei herkömmlichen Kammermotoren.
10 zeigt die Kolben 1 und 2, in denen die Brennraumhälften 17 und 18 zur Kolbenmitte verlagert sind, um so eine bessere Kolbensymmetrie zu erreichen. Der Injektor 16 muss entsprechend tiefer positioniert werden und ggf. mit einer Thermoschutzhülse 31 versehen sein.
11 zeigt die gleiche Ausführung wie in 10, jedoch ist hier zusätzlich gezeigt, dass in dieser Ausführung auch ein symmetrischer Kühlkanal 32 mit konstantem Querschnitt möglich ist. Kolben 2 weist einen an der Teilfläche umlaufenden Kragen 33 auf, der im oberen Totpunkt in den Kolben 1 eintaucht. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Kraftstoff während der Einspritzung in den Spalt zwischen Kolben 1 und 2 gelangt. Es ist auch möglich, den Kragen nur halb umlaufen zu lassen und die andere Hälfte für das Eintauchen des Halbkragens am Gegenkolben zu gestalten. Auf diese Weise kann man gleiche Kolben verwenden und jeder überdeckt dabei jeweils eine Hälfte des Spaltes.
12 zeigt die Kolben 1 und 2 mit den Brennraumhälften 17 und 18. Hier soll gezeigt werden, dass der Injektor 16 und der Brennraum mit seiner Symmetrieachse nicht immer im rechten Winkel auf der der Zylinderwand stehen müssen. Auch müssen die jeweiligen Brennraumhälften 17 und 18 nicht immer gleich geformt und gleich groß sein.
13 zeigt, dass es nach dem gleichen Prinzip der bisher gezeigten Bilder möglich ist, auch zwei Brennräume in den Kolben 1 und 2 unterzubringen, wenn es auf den Vorteil des Oberflächen/Volumen Verhältnisses nicht ankommt. Diese Brennräume besitzen jeweils ihre eigene Einspritzung, In diesem Falle kann man genau die gleiche Brennraumform, sowie gleiches Volumen und Auslegung des Strahlbildes der Einspritzdüsen vornehmen, wie es ein konventioneller Hubkolbenmotor mit gleichem Durchmesser und Kolbenhub hätte. Die Draufsicht 34 zeigt zwei Brennräume 35 und 36, die sich jedoch nicht zwangsläufig gegenüber liegen müssen. Auch drei oder mehr Brennräume sind nach dem gleichen Prinzip möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004032452 A1 [0008]
US 2008/0115771 A1 [0008]

Claims

Brennraum für Gegenkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, dass der Brennraum in seiner Form und Ausrichtung entsprechend der Geometrie von klassischen Hubkolbenmotoren ausgebildet ist, deren Zünd- oder Einspritzorgane in einem Zylinderkopf angebracht sind, was erreicht wird dadurch, dass die Zylinderwand des Gegenkolbenmotors als virtueller Zylinderkopf verstanden wird, wodurch eine konventionelle Brennraumgeometrie entsteht, die nun jedoch nicht wie üblich in Bewegungsrichtung der Kolben ausgerichtet ist, sondern als Ganzes im rechten Winkel gedreht dazu.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass Form und Volumen des Brennraum erst bei Gegenüberstellung beider Gegenkolben im Bereich des oberen Totpunkts gebildet wird und die Brennraumöffnung dabei zur Feuerstegseite zeigt.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass der Brennraum insbesondere für Dieselmotoren oder solche Motoren ausgelegt ist, deren Kraftstoffmittels Einspritzorganen in den Brennraum eingebracht wird.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass das Brennraumvolumen auf beide Gegenkolben in beliebigem Verhältnis aufgeteilt sein kann und sich auch völlig in einem der beiden Gegenkolben befinden kann.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass zur Abdeckung des verbleibenden Spaltes zwischen beiden Gegenkolben im oberen Totpunkt an der Trennstelle beider Brennraumhälften ein spaltüberdeckender Kragen angebracht ist.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass drallerzeugende tangentiale Nuten in den Brennraumhälften angebracht sind, die während der Kompressionsphase für eine Drehung der einströmenden Luft um die Brennraummitte sorgen.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass ein Glühstift an beliebiger Stelle des Feuerstegumfanges bis zum Brennraumes reichend angebracht sein kann.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass zwei oder mehr Brennräume mit eigener Kraftstoffeinbringung vorhanden sein können.
Brennraum für Gegenkolbenmotoren, nach Anspruch 1 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass das Öffnungsverhältnis des Brennraumes ohne Rücksicht auf den Querschnitt für das ein- und ausströmende Gas an das Strahlbild der Einspritzdüse angepasst werden kann, da das Gas nicht über die der Düse zugewandten Öffnung einströmt sondern über die Teilung des Brennraumes an den Stirnseiten der Gegenkolben.