DE2700991A1

DE2700991A1 - Gegenkolben-zweitakt-dieselmotor

Info

Publication number: DE2700991A1
Application number: DE19772700991
Authority: DE
Inventors: Erich Tausend
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-01-12
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1978-07-13

Description

Tausend Erich, 7913 Senden-Wullenstetten
Jan. 1977

Bezeichnung: Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor mit Schlitz-gesteuerter Gleichstromspülung, mit einem unterteilten Brennraum und mit einem die Abgasenergie ausnützenden Aufladesystem.

Dieselmotoren der bezeichneten Bauart haben den Vorteil, daß am Arbeitszylinder keine Gaswechselventile erforderlich sind und daß der Gaswechsel durch Längs- oder Gleichstromspülung erfolgt. Mittels tangential gerichteter Einlaßschlitze wird der Frischluft eine Drallbewegung erteilt, was die Verbrennung begünstigt. Außerdem erlaubt das Gegenkolbensystem einen vollständigen Massenausgleich.

Jedoch werden zur Erzielung einer symmetrischen Verbrennungszone in- der Praxis mindestens zwei Einspritzdüsen angewendet, womit sich der Aufwand vergrößert. *

Der Dralleffekt kann nicht optimal ausgenützt werden, weil die Drallgeschwindigkeit mit Rücksicht auf Füllungegrad und Leistungeverlust begrenzt ist und weil der Brennraumdurchmesser (=Zylinderdurchmesser) relativ groß ist. Wirbel- oder Vorkammern sind wegen des fehlenden Zylinderdecke Is kaum anwendbar.

Wirbel- oder Vorkammern, wie sie bei schneilaufenden Einkolbenmotoren verwendet werden, bieten den Vorteil einer günstigeren Verbrennung mit verminderter Rußbildung und niedrigeren Einspritzdrücken.

Nachteilig ist aber, daß mit intensiverer Wirbelbewegung (= günstigere Verbrennung) die Drosselverluste größer werden verbunden mit ungünstigerem Kraftstoffverbrauch.

Von den bekannten Aufladesystemen ist am gebräuchlichsten bei fast allen Motorenbauarten die Abgasturbo-Aufladung. Diese ist jedoch bei Zweitaktmotoren, wenn überhaupt, dann wesentlich schwieriger anwendbar, bei weniger als drei Zylindern prinzipiell nicht. Für Fahrzeugmotoren hat Abgaeturbo-Aufladung allgemein den Nachteil, daß der Ladedruck der Motor-Laständerung nur nit Verzögerung folgt.

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I

Ein anderes Aufladesystem ist als sog. Komprex-Verfahren bekannt: es arbeitet mit einem vom Motor angetriebenen Zellenrad, in welchem die Frischluft unmittelbar durch das Auspuffgas verdichtet wird. Es hat gegenüber dem Turbolader den Vorteil, daß der Ladedruck und damit das Drehmoment des Motors unverzüglich jeder Laständerung folgt. Nachteilig ist aber, daß es nur für Viertakt- und mehrzylindrige Motoren günstig anwendbar ist und daß die Abgas-Energie schlecht ausgenutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde:

a) Die Vorteile einer Wirbel- oder Vorkammer an einem Gegenkolbenmotor auszunutzen aber so, daß der Brennluftwirbel möglichst nur aus der Drallbewegung der Spülluft erzeugt wird unter Vermeidung von Drosselverlusten.

b) Erzeugung eines intensiven Spülluftdralles mit höchstmöglicher Rotationsgeschwindigkeit, wozu jedoch nicht effektive Motorleistung verbraucht sondern eine unmittelbare Abgas-Stoßaufladung angewendet werden soll. Dieses Abgas-Ladesystem muß so beschaffen sein, daß die Spülluft gegenüber dem Zylinderinhalt einen hohen Überdruck erhält, andererseits das Abgas gegen einen niedrigen Außendruck aus dem Zylinder entweichen kann.

c) Rückführung wenigstens eines Teiles der Abgas-Energie in den thermodynamischen Arbeitsprozess durch Umwandlung der kinetischen Energie in Wärme durch Erzeugen eines Gegenflußstoßes jedoch erst bei Erreichen des höchsten Verdichtungsdruckes bzw. erst bei Beginn der Expansionsphase. Damit sich dieser Effekt spürbar auswirken kann, muß die Spülluft-Geschwindigkeit über 250 m/s betragen. Der Wirkungsgradgewinn kann allerdings nur wenige % betragen.

Die Lösung der Aufgabe geht aus den Patentansprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen ist dargestellt:

In Fig.1: Schematische Gesamtanordnung des Systems Gegenkolben, Wirbelkammer, Abgas-Stoßlader.

In Fig.2: Schnitt durch die Wirbelkammer.

In Fig.3: Schnitt durch den Kopfflansch.

In Fig.V. a) bis d): Vier Arbeitsphasen während des Gaswechselvorganges.

In Fig.5: Ausführungsvorschlag zum Abgas-Stoßlader.

In Fig.6: Anordnung dee Lader-Hohrsysterns am Zylinder.

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INSPECTED _

Motorprinzip nach Fig.1, Fig.2 und Fig.3 :

Der Motor hat zwei gegenläufige Arbeitskolben I₁ 3. Entsprechend den bereits bekannten Bauarten wird hier nur beispielsweise für jeden Kolben ein Kurbeltriebwerk mit je einer Kurbel und einer Pleuelstange vepwadefc verwendet und beide Triebwerke mittels Zahnradgetriebe miteinander gekoppelt, hier zweckmäßig in liegender Anordnung vorgeschlagen. Zur Begünstigung des Gaswechsels läuft in bekannter Weise der auslaßseitige Kolben 3 um etwa 20° bis 30° Kurbeldrehwinkel vor.

Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen werden zwei Einzelzylinder 2, ^f verwendet, welche unter einem stumpfen Winkel von ca. 150 mittels eines keilförmigen Kopfflansches 5 verbunden sind.

Die Brennraum-Aussparung im Kopfflansch 5 ist kleiner als der lichte Zylinderquerschnitt und kann kreisrund, besser aber elliptisch sein, wobei der Mittelpunkt dieser Aussparung zur Kopfflanschspitze hin exzentrisch versetzt ist, sodaß die dicke Flanschzone als "Steg in den Zylinderraum hineinragt ( Fig.3 ). In der dicken, äußeren Zone des Kopfflansches § ist die Wirbelkammery( evtl. auch Vorkammer ) untergebracht. Diese hat einen etwa radial auf die Zylinderachsen gerichteten Mündungskegel 7 und einen etwa kugelförmigen Wirbelkammerdeckel 8.

Der Mündungskegel 7 hat einen spiralig oder tangential einlaufenden Füllschlitz 9 ( Fig.2 ) mit· einer vorstehenden Staukante, und zwar gegen die Zylinder-Einlaßseite und gegen die Spülluft-Drallrichtung. Im Schnittbild Fig.2 ist der Mündungskegel 7 als Einsatzteil ( z.B. aus hitzefestem Blech oder Stahlguß ) vorgeschlagen.

Infolge des Luftdralles im Zylinder strömt während der Verdichtung Luft durch den Füllschlitz 9 in die Wirbelkammer ein und verursacht dort eine Zirkulation, deren Achse etwa senkrecht zur Zirkulationsachse im Zylinder steht. Das Volumen der Wirbelkammer macht nur einen Teil des gesamten Brennraumvolumens ( ca. 50 % ) aus. Das Ausströmen der Verbrennungsgase erfolgt dagegen etwa radial in den Zylinderraum durch den Mündungskegel 7· Da in restlichen Zylinderbrennraum die ursprüngliche Luftzirkulation erhalten bleibt, entsteht dort eine sich kreuzende Gasströmung. Infolge der Phasenverschiebung der Kolben wird dieser Strömungsvorgang noch begünstigt.

Einspritzdüse und evtl. Glühelement sind im Wirbelkammerdeckel 8 untergebracht. Die Brennstoff-Strahlrichtung kann axial symmetrisch, aber auch außermittig entgegen der Lufteinströmung in die Wirbelkammer erfolgen. Durch die geknickte Zylinderanordnung ist es möglich, einen relativ großen MUndungsquerschnitt für die Wirbelkammer mit geringer Drosselwirkung unterzubringen. _ _Ä

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Der Abgas-Stoßlader besteht aus einem langen Staurohr 10, einem kürzeren Diffusorrohr 11 und einem Steuerventil 12. Das Staurohr 10 ist einerseits über einen Sammelflansch an die Zylindereinlaßschlitze E, andererseits an das Steuerventil 12 angeschlossen. Das Diffusorrohr 11 ist einerseits an die Zylinderauslaßschlitze A und andererseits ebenfalls an das Steuerventil 12 angeschlossen.

Um Baulänge zu sparen, aber auch strömungstechnisch ist es vorteilhaft, wenn das Diffusorrohr 11 im Gegenstrom zum Staurohr 10 angeordnet wird, wobei dann das Steuerventil 12 gleichzeitig als Umleitelement wirkt. An das Steuerventil 12 ist noch das Entspannungsrohr 14 angeschlossen;

Das Steuerventil 12 ist als Hub-Ventilschieber ausgebildet und bewirkt eine Dreiweg-Steuerung. Der Ventilschieber, aus Schieberteller 15 und Führungsschaft 16 bestehend, ist koaxial zum Staurohr 10 angeordnet. Der Schieberteller 15 steuert je nach Hubstellung folgende Strömungswege:

1) Schieberteller 15 in innerer Totlage (=Rühesteilung): Staurohr und Diffusorrohr 11 sind mit Entspannungsrohr 14 verbunden.

2) Schieberteller 15 etwa in Mittelstellung: Staurohr 10 ist mit Diffusorrohr 11 verbunden, Entspannungsrohr 1 ^f ist gesperrt.

3) Schieberteller in der äußeren Totlage: Mündung des Staurohres 10 ist gesperrt, Diffusorrohr Ti ist mit Entspannungsrohr 14 verbunden.

Es ist dabei nicht erforderlich, daß der Schieberteller in den Stellungen 2) und 3) vollkommen abdichtet.

Anhand von Fig. 4a bis 4d wird der Auflade- und Spülvorgang beschrieben:

Fig.4a: Durch Arbeitskolben 3 werden Auslaßschlitze A freigegeben, Einlaß E ist noch verdeckt, Schieberteller 15 des Steuerventils bewegt eich von seiner inneren zur äußeren Totlage etwa in Mittelstellung. Im Staurohr 10 befindet sich Frischluft unter Normaldruck; da Entspannungsrohr 14 gesperrt ist, strömt das noch unter Überdruck stehende Abgas vom Zylinder durch das Diffusorrohr 11 in das Staurohr 10, verdrängt die Frischluft unter Verdichtung derselben in Richtung Einlaß E. Frischluftrückschlagventil 17 wird dabei geschlossen.

Fig.4b: Auslaßschlitze A am Zylinder sind ganz offen, Kolben 3 etwa in Totlage, Einlaßschlitze E sind erst teilweise offen, Schieberteller sehließt Staurohr 10 ab, Abgas entweicht aus Zylinder durch Diffusorrohr und Entspannungsrohr 14, verdichtete Frischluft strömt durch Einlaßschlitze E in den Zylinder.

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Fig.ifc: Spülvorgang ist abgeschlossen, beide Arbeitskolben 1 und 3 bewegen sich von ihrer inneren zur äußeren Totlage, Auslaßschlitze A sind bereits geschlossen, Einlaßschlitze E noch teilweise offen, Schieberteller 15 befindet sich auf dem Rückhubweg etwa in Mittelstellung, wobei Gasabfluß ZUB Entspannungsrohr 1*f gesperrt ist, durch den in Staurohr 10 und Diffusorrohr 11 noch vorhandenen Rest-Überdruck erfolgt Nachladung des Zylinderinhalts.

Fig.^d: Spülschlitze E und A im Zylinder sind durch Kolben 1 und 3 ganz verdeckt (= Verdichtungshub), Schieberteller 15 ist in der inneren Totlage (= Ruhelage), das in Staurohr 10 und Diffusorrohr 11 noch enthaltene Abgas kann durch Entspannungsrohr 14 entweichen. Es erfolgt Füllung des Staurohres mit Frischluft unter geringem Überdruck.

Für den Gaswechsel im Rohrsystem 10/11 steht die Zeitspanne vom Schließen der Einlaßschlitze E bis zum Öffnen der Auslaßschlitze A , das sind mehr als 200 Kurbelwinkel, zur Verfugung.

Eine günstige Form für den Abgas-Stoßlader ist in Fig.5 und Fig.6 vorgeschlagen:

Das Staurohr 10 ist mittig über dem Zylinder, in symmetrischer Lage dazu sind zwei Diffusorrohre 11 angeordnet. Damit soll erreicht werden, daß die Stoßverluste des Abgases vermindert werden und daß sich über dem Steuer-Schieberteller 15 (= Mündung zum Staurohr 10) eine möglichst symmetrische Druckverteilung ergibt.

Das Staurohr 10 wird vorteilhaft mit einem gegen die Einlaßseite hin sich erweiterndem Querschnitt ausgeführt.

Das Frischluft-Rückschlagventil 17 kann als Membran-Rückschlagklappe ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, hierfür einen mechanisch angetriebenen Ventilschieber zu verwenden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, abgasseitig an das Entspannungsrohr 14 eine Niederdruckturbine anzuschließen, welche dann ein Spülluftgebläse antreiben kann. Weil nur ein niedriger Spülluftdruck erforderlich ist, kann das Spülluftgebläse gleichzeitig äußere Kühlluft für das Ladersystem liefern.

Zur Erzeugung der Hubbewegungen des Ventilschiebers 15/16 ist ein Nocken vorgesehen, welcher entweder unmittelbar mit der Kurbelwelle des abgasseitigen Triebwerks verbunden ist oder auf eigener Nockenwelle phasengleich mit der Kurbelwelle umläuft. Ferner können als Übertragungselemente Stoßetangen und Kipphebel vorgesehen sein.
Die in dem Torgeschlagenen Abgas-Stoßladesystem auftretenden Schwingungs-

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vorgänge sind im wesentlichen unabhängig von der Motordrehzahl. Um die Funktion des Steuerventils 12 diesem Umstand wenigstens angenähert anzupassen, können Einrichtungen vorgesehen werden, welche es erlauben, daß die Ventil-Hubgeschwindigkeit bei niedriger Drehzahl schneller, bei hoher Drehzahl langsamer bezüglich der Kolbengeschwindigkeit erfolgt. Dies könnte erreicht werden z.B. mit einem verstellbaren Nocken oder auch dadurch, daß ein fedrndes Druckelement zwischen Nocken und Ventil eingeschaltet wird. Eine Beeinflussung der Steuercharakteristik ist auch dadurch zu erreichen, daß im Entspannungsrohr Ik der Abgas-Gegendruck mittels eines verstellbaren Drosselventils abhängig von der Motordrehzahl ( hoher Gegendruck bei niedriger Drehzahl!) eingestellt wird.

Das Steuerventil 12 kann auch als Drehschieber ausgeführt sein. Zur drehzahlabhängigen Veränderung der Steuercharakteristik können schräge Schlitzkanten in Verbindung mit Axialverschiebung angewendet v/erden.

Prinzipiell kann die in der Erfindung vorgeschlagene Zylinder- und Brennkammerform auch in Verbindung mit einem anderen Spül- bzw. Ladesystem verwendet werden.

Andererseits kann der Abgas-Stoßlader gemäß der Erfindung auch an bis jetzt bekannten Gegenkolben-Bauarten verwendet werden. Ebenso ist eine Anwendung bei Einkolben-Bauarten möglich.

Der mit der Erfindung angestrebte technische Fortschritt soll jedoch darin bestehen, daß ohne Verlust an effektiver Nutzarbeit ein wesentlich intensiverer Verbrennungswirbel erzeugt und daß dadurch der Verbrennungsablauf begünstigt und vor allem beschleunigt werden kann. Damit ist es dann möglich, unter reduzierter Rußbildung die Drehzahl und somit die Leistung zu erhöhen.

Zusätzlich kann der Effekt ausgenutzt v/erden, die ansonsten verlorene Abgasenergie auf dem Wege der Energie-Umwandlung ( kinetische Energie — Wärme ) in den thermodynamischen Arbeitsprozeß zurückzuführen. Jedoch wird eine Wirksamkeit nur spürbar sein, wenn die Spülluft-Geschwindigkeit über 250 m/s beträgt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber einem Abgas-Turbolader, der ▼or allem für den Fahrzeugantrieb wichtig ist, besteht darin, daß der Ladedruck sich unverzüglich der jeweiligen Motorbelastung angleicht.

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Le

e r s e i f e

Claims

Patentansprüche:

Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor' mit schlitzgesteuerter Gleichstromspülung, mit einem unterteilten Brennraum und mit einem die Abgasenergie ausnützenden Aufladesystem, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zylinder(2,4) kopfseitig unter einem stumpfen Winkel zusammengesetzt sind und als Verbindungselement ein keilförmiger Kopfflansch (5) vorgesehen ist, welcher im äußeren, dicken Querscfhnittsbereich eine Wirbel- oder Vorkammer (6) in radialer Anordnung aufweist und daß etwa parallel zu den Zylinderachsen ein Abgas-Stoßladesystem angeordnet ist, welches aus einem längeren Staurohr (10) und einem kürzeren Diffusorrohr (11) und einem mechanisch betätigten Dreiweg-Steuerventil (12) besteht und einerseits mit den Zylinder-Einlaßschlitzen (E) und andererseits mit den Zylinderauslaßschlitzen (A) verbunden ist.
2. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumaussparung des Kopfflansches (5) kleiner ist als der lichte Zylinderquerschnitt und Kreisform oder Ellipsenform hat, wobei der Mittelpunkt exzentrisch innerhalb des Scheitelpunktes der Zylinderachsen liegt.
3. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kopfflansch (5) radial angeordnete Wirbel- oder Vorkammer(6) einen radial zum Scheitelpunkt gerichteten Mündungskegel (7) und einen spiralig oder tangential zum Mündungskegel einlaufenden, gegen den Zylinder-Luftdrall und zur Einlaßseite gerichteten Füllschlitz (9) aufweist.
k» Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbel- oder Vorkammerdeckel (8) kugelförmig ist und die Brennstoffdüse in diesem Deckel mit annähernd radial auf die Zylinderachsen hin gerichteter Einspritzrichtung angeordnet ist.
5. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß Mündungskegel (7) und Wirbel- oder Vorkamnerdeckel (8) als Einsatzteile im Kopfflansch (5) vorgesehen sind.
6. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (12) des Abgas-Stoßladesysteme (10, 11, 12) einen Hub-Ventilschieber (15, 16) aufweist, welcher koaxial zur Mündung des Staurohres (10) angeordnet ist.

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7. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspr uch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas-Stoßladesystem ein mittels Ventilschieber (15> 16) umsteuerbares' Dreiwegsystem aufweist von der Art, daß bei der innersten Ventilschieberstellung Staurohr (10) und Diffusorrohr (11) mit Entspannungsrohr (1¹O verbunden sind, daß bei mittlerer Ventilschieberstellung nur Staurohr (10) mit Diffusorrohr (11) verbunden ist und daß bei der äußersten Ventilschieberstellung Diffusorrohr (11) mit Entspannungsrohr (1¹O verbunden und die Mündung des Staurohres (10) durch den Ventilschieber-Teller (15) verschlossen ist.
8. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zum Staurohr (10) zwei Diffusorrohre (11) und koaxial zur Staurohrmündung ein Ventilschieber angeordnet sind.
9. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Ventilschieber- Hubbewegung ein vom auspuffeeitigen Kolbentriebwerk angetriebener Steuernocken mit Antriebsgestänge vorgesehen ist, wobei zwischen Steuernocken und Ventilschieber ein federndes Element mit einem Dämpfungselement Zwischengeschäfte^ ist.
10. Gegeiikolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß abgasseitig hinter dem Entspannungsrohr (1¹O eine Abgasturbine und einlaßseitig ein von dieser angetriebenes Frischluftgebläse angeordnet sind.
11. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas-Stoßladersystem auf der Frischluft-Einlaßaeite ein Rückschlagventil (17) aufweist, welches als Klappenoder Membranventil oder als mechanisch zwangsgesteuerter Ventilschieber ausgebildet ist.
12. Gegenkolben-Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Zylinder-Auslaßschlitzen (A) angeordnete Abgas-Sammelring in der radialen Zylinderebene nach außen verlaufende Diffusorkanäle und zugleich das Steuerventil (12) aufweist und koaxial entgegengesetzt zum Steurventil das Staurohr (10) angeschlossen ist und daß zur Verlängerung des Staurohres ein Gegenstromsystem auf der Frischluft-Einlaßseite vorgesehenist.

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