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Gegenkolbenmotor
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Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor mit zwei gegenläufig
in einem Lade- und Auslaßschlitze aufweisenden Zylinder laufenden Kolben, durch
deren Bewegung das Öffnen und Schließen der Lade- und Auslaßschlitze gesteuert wird.
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In Lueger, Band 12, Ausgabe 1967 ist ein als Zweitaktmotor arbeitender
Gegenkolbenmotor beschrieben, bei dem in einem Zylinder zwei Kolben gegenläufig
laufen, wobei beide Kolben zum Antrieb je einer Kurbelwelle dienen, die auf der
Stirnseite durch ein Zahnradgetriebe verbunden sind. Der eine Kolben steuert die
Spülschlitze, während der andere Kolben die Auspuff- bzw. Auslaßschlitze steuert,
wobei durch Versetzung der Kurbeln eine vorteilhafte unsymmetrische
Schlitz-Steuerung
erreicht werden kann. Der Vorteil eines 'refrenkolbenmotors besteht im wesentlichen
darin, daß das Maschinengentell im wesentlichen Umfang von dert von den Verbrennungsdriicken
herrsihrenden Kraften entlastet ist, wobei ein Massenausgleich zum Teil schon innerhalb
des Zylinders erreicht wird. Die gesamten zur Verfügung stehenden Kräfte werden
von den Kolben auf die Kurbelwellen übertragen und können demzufolge nutzbar gemacht
werden. Es entfällt weiterhin ein Zylinderdeckel. Bei dieser bekannten Zweitaktmctschine
bestehen hinsichtlich der Schlitz-Steuerung keine Schwierigkeiten, da die im Bereich
des unteren Totpunktes der Kolbenhiibe in der Zylinderwandung angebrachten Schlitze
entsprechend dem Zweitaktverfahren durch die Kolben selbst verschlossen und freigegeben
werden.
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Gleiche Verhältnisse liegen im wesentlichen auch bei einem in der
DT-OS 2 402 508 beschriebenen Zweitakt-Gegenkolbenmotor vor, bei dem jedoch zur
Erreichung einer Ladungsschichtung eine den Brennraum unterteilende durchbrochene
Trennscheibe vorgesehen ist, so daß auf der mit der Zündkerze ausgestatteten Trennscheibenseite
eine Füllung mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch und auf der gegenüberliegenden
Zweite eine Füllung mit Spülluft bzw. magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch erreicht werden
kann. Durch diese Ladunfsschichtung soll verhindert werden, daß unverbrannte Kraftstoffanteile
den Brennraum während des Spülvorganges durch den noch nicht geschlossenen Auslaßschlitz
verlassen, vjbei diese Brennstoffschichtung weiterhin ein sehr mageres Gesamtgemisch
ermöglicht, wodurch infolge von reichlich vorhandenem Sauerstoff eine vollkommnere
Verbrennung von CO und CH möglich ist. Bei dieser als Zweitaktmotor konzipierten
Gegenkolbenmaschine tritt zusätzlich zu den Nachteilen der eingangs beschriebenen
bekannten Maschine noch der Nachteil auf, daß infolge der mit Durchbrüchen versehenen
Trennscheibe Druckverluste im Bereich dieser Trennscheibe auftreten, so daß es zu
einer ungleichmäßigen Beaufschlagung der beiden Kolben kommen kann.
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Im Gegensatz zu den beiden ob?n besc':iriebenen Zweitakt-Gegenkolbenmotoren
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Viertakt-Gegenkolbenmotor mi einer
ii der Konstruktion einfachen und im Betrieb zuverlässig arbeitenden Schlitzsteuerung
zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Gegenkolbenmotor
dadurch gekennzeichnet, daß die Lade- und Auslaßschlitze im Bereich der Trennebene
zwischen den newegungsbahnen der beiden Kolben angeordnet sind, und daß der Zylinder
im Bereich dieser Trennebene von einem KuRelwellen gesteuerten Steuerring wVeben
ist, der eine in Umfangsrichtung verlaufende schlitzförmige Durchlaßöffnung aufweist.
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Durch eine derartige Anordnung bleiben die Vorteile einer Gegenkolbenmaschine
erhalten, wobei in einfacher Weise die Möglichkeit gegeben ist, diesen (;egenkolbenmotor
nc dem Viertaktverfahren arbeiten zu lassen.
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Um während des vierten Textes, d.h während des Ausstoß-bzw. Auslaßhubes
ein praktisch vollständiges Ausstoßen der Verbrennungsabgase zu ermöglichen, ist
gemäß weiterer Erfindung vorgesehen, daß die Bewegung der beiden Kolben so gesteuert
ist, daß die Hubwege während jeweils zwei aufeinanderfolgenden Einsatzhüben unterschiedlich
groß sind.
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Auf diese Weise können die beiden Kolben während des Einwärtshubes
einmal zum Ausstoßen der Verbrennungsabgase nur unter Freilassung eines äußerst
schmalen Schlitzes aneinander angenähert werden, während während des Kompressions-
bzw. Verdichtungshubes nach dem Einfahren der Kolben zwischen diesen ein größerer
;Raum frei bleibt, der die Ladung, d.ho den verdichteten Zylinderinhalt aufnimmt.
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Diese unterschiedlichen nach einwärts gerichteten Hubwege werden erfindungcigemäß
dadurch erreicht, daß jeweils der Pleuelkopf der einem der Kolben zugeordneten Pleuelstange
mit seinem Pleuelauge auf einer Zylinderbuchse drehbar gelagert ist, die ihrerseits
exzentrisch auf einem zugeordneten Kurbelzapfen der Kurbelwelle gelagert ist und
fest mit einem konzentrisch auf dem Kurbelzapfen drehbar gelagerten Steuerzahnrad
verbunden ist, das mit einem stationären Ritzel kämmt, dessen Teilkreisdurchmesser
zur Erzielung eines Übersetzunsverhältnisses zwischen Steuerzahnrad und Ritzel von
1 : 2 dem haben Teilkreisdurchmesser des Steuerzahnrades entspricht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Untransprchen
und der folgenden Beschreibung.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht
des erfindungstemäßen Gegenkolbenmotors; Fig0 ? eine Schnittansicht gemäß der Linie
II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie III-III in Fig. 2; Fig.
4 - 7 in schematischen Darstellungen Schnittansichten des erfindungsgemäßen Gegenkolbenmotors
mit sich in verschiedenen Arbeitsstellungen befindlichen Kolben.
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Der in den Fig. 1 - 3 dargestellte Gegenkolbenmotor weist ein Gehäuse
1 auf, das in geeigneter (z.T. nicht dargestellter) Weise unterteilt ist, um den
Zusammenbau der einzelnen Motorteile zu ermöglichen. In dem Gehäuse 1 sind parallel
zueinander liegend zwei Zylinder 2 und 3 stationär gelagert, die beidseitig offen
sind. Das Gehäuse nimmt weiterhin zwei zweifach gekröpfte Kurbelwellen 4 und 5 auf,
die mittels der Wellenzapfen 4a, 4b, 4c bzw. 5a, 5b, 5c senkrecht zu den Zylinderachsen
drehbar gelagert ist.
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Die Kröpfungen jeder der beiden beiseitig zu den Zylindern 2 und 3
angeordneten Kurbelwellen 4, 5 sind um 1800 gegeneinander versetzt.
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Auf dem Kurbelzapfen 6 der Kurbelwelle 4 ist unter Zwischenschaltung
einer Gleitlagerbuchse 7 exzentrisch eine Zylinderbuchse 8 gelagert, die fest mit
einem konzentrisch auf dem Kurbelzapfen 6 drehbar gelagerten Steuerzahnrad 9 verbunden
ist, das mit einem stationären Ritzel 10 in Zahneingriff steht, dessen Teilkreisdurchmesser
zur Erzielung eines Ubersetzungsverhältnisses zwischen Steuerzahnrad 9 und Ritzel
10 von 1 : 2 dem halben Teilkreisdurchmesser des Steuerzahnrades 9 entspricht.
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Auf der exzentrisch auf dem Kurbelzapfen 6 bzw. der Gleitlagerbuchse
7 gelagerten Zylinderbuchse 8 ist der Pleuelkopf 11 der den Kolben 13 tragenden
Pleuelstange 12 gelagert.
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Die übrigen Kolben 14, 15 und 16 sind in der gleichen Weise auf den
innen zugeordneten Kurbelzapfen der Kurbelwellen 4 bzw. 5 gelagert, so daß sich
für diese weiteren Kolben eine weitere detaillierte Beschreibung erübrigt.
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Die Zylinder 2 bzw. 3 sind im Bereich ihrer radialen Mittelebene,
d.h. im Bereich der Trennebene zwischen den Bewegungsbahnen der Kolben der einzelnen
Zylinder jeweils mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden länglichen Auslaßschlitz
17 bzw. 18 und in einem Winkelabstand von 900 davon mit einem Ladeschlitz 19 bzw.
20 versehen. Jeder Zylinder 2 und 3 ist im Bereich seiner radialen Mittelebene von
einem Steuerring 21 bzw. 22 umgeben, der eine in Umfangsrichtung verlaufende schlitzförmige
Durchlaßöffnung 23 bzw. 24 aufweist.
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Die Auslaß- und Ladeschlitze werden entweder durch den zugeordneten
Steuerring verschlossen oder es wird dann, wenn die Durchlaßöffnungen die jeweiligen
Auslaß- oder Ladeschlitze zumindest teilweise verlagern bzw. überdecken, eine Verbindung
zwischen den Zyl inder innenräumen und Auslaßkanälen 25 bzw. 26 oder Ladekanälen
27 bzw. 28 hergestellt, die durch den Steuerring 21 bzw. 22 von den zugeordneten
Auslaß- und Ladeschlitzen getrennt in einem äußersten Stützring 29 bzw. 30 angeordnet
sind. Die Steuerringe 21 und 22 sind zwischen den Zylinderaußenwänden und diesen
StUtzringen 29 bzw. 30 drehbar gelagert.
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Zum Antrieb der Steuerringe 21 und 22 sind diese an ihrem Außenumfang
mit Zahnkränzen versehen, und der Antrieb dieser miteinander kämmender Steuerringe
wird, bezogen auf Fig. 1, von dem oberen Ende der Kurbelwellen 4 und/oder 5 unter
Zwischenschaltung eines Zahnradgetriebes abgeleitet. Der Antrieb der Steuerringe
21 und 22 erfolgt beispielsweise von der rechts dargestellten Kurbelwelle 4 über
miteinander kämmende Kegelräder 31, 32, die Welle 33 und das Zahnrad 35.
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Das Ubersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle und dem Steuerring
ist derart, daß der Steuerring während zwei Drehungen der Kurbelwelle nur eine einzige
Drehung von 3600 ausführt. Die Steuerringe 21 und 22 können in der in Verbindung
mit der Kurbelwelle 4 beschriebenen Weise auch von der Kurbelwelle 5 aus angetrieben
werden oder gemeinsam von beiden Kurbelwellen 4 und 5, so wie es in Fig. 1 dargestellt
ist.
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Das Gehäuse 1 ist mit mehreren Kühlmittel führenden Kanälen versehen.
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Die Maschinen arbeiten nach dem Viertaktsystem und die einzelnen Hubbewegungen
werden im folgenden für den Kolben 13 anhand der Fig. 2 und 4 bis 7 beschrieben,
wobei die Mitte
des Kurbelzapfens 6 während der Bewegung den Kurbelkreis
35 beschreibt. Die Drehrichtung ist durch die Pfeile a und b angedeutet.
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Bei der Darstellung gemäß Figur 2 befindet sich der Kolben 13 in seiner
innersten Totpunktlage, ebenso wie der Kolben 14, die dem Ende des Ausstoß- bzw.
Auslaßhubes bzw0 dem Ende des vierten Taktes entspricht. Nach Beendigung dieses
Ausstoßhubes bzw. vierten Taktes hat die Durchlaßöffnung 23 des Steuerringes 21
gerade die Verbindung zwischen dem Auslaßschlitz 17 und dem zugeordneten Auslaßkanal
25 unterbrochen unc befindet sich im wesentlichen in einer Stellung zwischen dem
Auslaßschlitz 17 und dem Lade-schlitz 19.
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Der Kurbelzapfen 6 nimmt in dieser Stellung die in Figur 2 dargestellte
Position 61 ein, während die Achse der Zylinderbuchse 8 bzw. des diese Zylinderbuchse
aufnehmenden Pleuelauges die Position 361 einnimmt, d.h. diese Achse 361 befindet
sich zwischen der Kurbelzapfenachse und dem Kolben 13.
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1. Takt: Nach einer Weiterdrehung der Kurbelwelle um 90° in Richtung
des Pfeiles a gelangt der Kurbelzapfen in die Position 62, wobei infolge der Zwangskopplung
zwischen dem Steuerzahnrad 9 und dem Ritzel 10 die Achse der Zylinderbuchse 8 bzw.
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des diese Zylinderbuchse aufnehmenden Pleuelauges um 450 nachläuft
und in die Position 362 kommt.
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Nach einer weiteren Drehbewegung der Kurbelwelle um 900 gelangt die
Kurbelzapfenachse in die Position 63 und die Pleuelaugenachse in die Position 363,
Diese
Drehbewegung aus der Position 61 in die Position 63 entspricht dem Lade- oder Ansaughub
und damit dem ersten Takt, bei dem die Durchlaßöffnung 23 die Verbindung zwischen
dem Ladekanal 27 und dem Ladeschlitz 19 herstellt, so daß in den Innenraum des Zylinders
2 Frischladung angesaugt wird.
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Bei Erreichen bzw. nach Verlassen der Position 63 bzw.
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363 ist der Steuerring 21 Uber die von der Kurbelwelle 4 abgeleitete
Antriebsverbindung so weit gedreht worden, daß die Verbindung zwischen dem Ladekanal
und dem Ladeschlitz wieder unterbrochen ist. Wie bereits erwähnt, entspricht eine
1800-Drehung der Kurbelwelle 4 einer 900-Drehung des zugeordneten Steuerringes 21.
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2. Takt: Die weitere Drehung der Kurbelwelle um 1800 entspricht dem
zweiten Takt bzw. dem Verdichtungshub, bei dem der Kolben nach Umkehr seiner Bewegung
im unteren Totpunkt und Abschluß des Einlasses den Zylinderinhalt verdichtet.
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Während dieses zweiten Taktes bzw. Verdichtungshubes werden die Positionen
64 bzw. 364 passiert und es wird die in Figur 4 dargestellte Position 65 bzw. 365
erreicht.
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In dieser in Figur 4 dargestellten Position liegt die Kurbelzapfenachse
65 zwischen der Pleuelaugenachse 365 und dem Kolben, so daß der entsprechende Einwärtshub
des Kolbens 13 kleiner ist als im Fall der Position 1 (Ende des Auslaß- bzw. Ausstoßhubes),
so daß auch der Abstand zwischen den Böden der beiden Kolben 13 und 14 größer ist
und damit ausreichend Raum für die verdichtete Ladung vorhanden ist. Kurz vor dem
Ende des Verdichtungshubes erfolgt die Zündung, beispielsweise mittels einer an
geeiftrieter Stelle in dem Zylinderinnenraum befindlichen und in der Zeichnung nicht
im einzelnen dargestellten Zündkerze.
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3. Takt: Nach Einsetzen der Zündung verbrennt das verdichtete Gemisch
unter Temperatur- und Drucksteigerung, so daß sich im drit-en Takt die hoch erhitzten
Verbrer!nungsgase ausdehnen (Dehnungshub) und ihre Energie an den Kolben abgeben
(Arbeitstakt). Während dieses Arbeitstaktes wird die Position 66 bzw 366 (Figur
5) passiert und es wird die position 67 bzw. 367 erreicht.
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4. Takt: Am Ende des Dehnungshubes stellt die Durchlaßöffnung 23 wieder
die Verbindung zwischen dem Auslaßschlitz 17 und dem Auslaßkanal 25 her, so daß
im vierten Takt bei aufwärts- bzw. einwärtsgehendem Kolben 13 die verbrannten Gase
aus dem Zylinder ausgestoßen werden. Während dieses Auslaß- bzw. Ausstoßhubes, d.h.
während des vierten Taktes, wird die Position 68 bzw0 368 passiert und wieder die
Position 61 bzw. 361 (Figur 2) erreicht.
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Während des Lade- bzw. Ansaughubes wird auch die Durchlaßöffnung 23
des 3teuerringes 21 mit FrXchladung gefüllt, so daß unter Umständen die Gefahr einer
Selbstzündung dieses Gemisches während der Weiterdrehung des Steuerringes 21 besteht.
Um eine derartige unerwünschte Selbstzündung zu verhindern, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Form des Ladeschlitzes 19 bzw. 20 so auf die Formen des Ladekanales
27 bzw. 28 und der schlitzförmigen Durchlaßöffnung 23 bzw. 24 des Steuerringes 21
bzw. 22 abgestimmt ist, daß unmittelbar nach Verschließen des Ladekanales 27 bzw.
28 durch den Steuerring 21 bzw. 22 ein Restteil des Ladeschlitzes 19 bzw. 20 noch
von einem Restteil der Durchlaßöffnung 23 bzw. 24 überlagert ist, und daß in den
von dem Steuerring 21 bzw. 22 eingenommenen Raum eine Spülluftdüse derart mündet,
daß in der Stellung, in der nur noch ein Restteil des Ladeschlitzes von dem Restteil
der Durchlaßöffnung
überlagert ist, Spülluft in die Durchlaßöffnung
einblasbar ist.
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Auf diese Weise kann das sich in der Durchlaßöffnung befindliche Gemisch
zumindest zum größten Teil in den Zylinderinnenraum einpeblasen werden, so daß eventuell
verbleibende Gemiochreste so verarmt sind, daß eine Selbstzi,ndung nicht mehr möglich
ist.
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Nach Beendigung des 4. Taktes und damit des Auslaß- bzw.
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Ausstoßhubes ist die Durchlaßöffnung 23 des Steuerringes 21 mit verbrannten
Gasen bzw. Abgas gefüllt, was in bestimmten Fällen zwar tolerierbar ist, jedoch
auf jeden Fall zu einer Verschlechterung des während des Ladehubes angesaugten Gemisches
führt, da während des Ladehubes eine Vermischung zwischen der Frischladung und der
in der Durchlaßöffnung verbliebene Abgasrestmenge stattfindet. Um das zu vermeiden,
ist vorgesehen, daß die Form des Auslaßkanales 25 bzw. 26 so auf die Formen des
Auslaßschlitzes 17 bzw. 18 und der schlitzförmigen Durchlaßöffnung 23 bzw. 24 des
Steuerringes 21 bZw. 22 abgestimmt ist, daß unmittelbar nach Verschließen des Auslaßschlitzes
17 bzw. 18 durch den Steuerring 21 bzw. 22 ein Restteil des Auslaßkanales 25 bzw.
26 noch einem Restteil der Durchlaßöffnung 23 bzw. 24 gegenüberliegt, und daß in
den von dem Steuerring eingenommenen Raum eine Waschluftdiise derart einmiindet,
daß in die mit einem Restteil dem Restteil des Auslasskanales gegenüberliegende
Durchlaßöffnung Waschluft einblasbar ist.
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Die Steuerung der Spülluftdüse und der Waschluftdiise kann ebenfalls
von einer oder beiden Kurbelwellen abgeleitet sein, und zwar unter Zwischenschaltung
geeigneter Antriebs-bzw. Steuerungselemente.
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Es besteht auch die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Motor in analoger
Weise nach dem Dieselprinzip arbeiten zu lassen.
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Die von den Motor abgegebene Energie bzw. Leistung kann beismielsweise
im Bereich der Wellenzapfen 4c bzw. 5c abgenommen werden.
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Bei eirlern derartigen Viertakt-Gegenkolbenmotor besteht in einfacher
Weise die Möglichkeit einer Drehrichtungsumkehr der Kurbelwellen, indem Kurzzeitig
die Antriebsverbindung zwischen den Kurbelwellen und den Steuerringen unterbrochen
wird, und die Steuerringe zu den Kurbelwellen durch Verstellen in eine andere Relativstellung
gebracht werden.
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L e e r s e i t e