DE3645103C2 - Two-stroke Diesel engine with opposed floating pistons - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung für einen Zweitakt-Dieselmotor mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, die durch die DE-OS 35 21 333 in wesentlichen Einrichtungen bekannt ist.

Bei Zweitakt-Diselmotoren mit gegenläufigen Freikolben ist an jedem Zylinder eine durch die Kompressionsluft angetriebene Einspritzpumpe angeordnet.

Damit bei Zweizylinder- und Vierzylinder-Motoren die Einspritzabstände gleichmäßig sind, werden bei der Brennkraftmaschine gemäß der DE-OS 35 21 333 durch Druck gesteuerte Einspritzpumpen vorgeschlagen, die hinter dem Pumpenkolben einen federbelasteten Kolbenschieber haben, der über eine Steuerleitung bei hohem Gasdruck im anderen Zylinder den Einspritzkanal absperrt bzw. öffnet.

Für die Einspritzungen bei Zweizylinder-Motoren die gegenseitig durch die niedrigen Gasdrücke whrend der Spülung im anderen Zylinder gesteuert werden, sind erfindungsgemäß die federbelasteten Kolbenschieber der beiden Einspritzpumpen durch Steuerleitungen mit den Kompressionsräumen der anderen Zylinder verbunden.

Für die Einspritzungen bei Vierzylinder-Motoren, die bei dem 1. und 2. Zylinder gegenseitig durch die niedrigen Gasdrücke während der Spülung im anderen Zylinder gesteuert werden, und die bei dem 3. und 4. Zylinder durch die hohen Gasdrücke bei der Kompression im 1. bzw. 2. Zylinder gesteuert werden, sind erfindungsgemäß die federbelasteten Kolbenschieber der Einspritzpumpen des 1. und 2. Zylinders und die Kolbenschieber der Einspritzpumpen des 4. und 3. Zylinders durch Steuerleitungen mit den Kompressionsräumen des 2. bzw. 1. Zylinders verbunden.

Da bei Vierzylinder-Motoren die Einspritzkanäle der Einspritzpumpen des 1. und 2. Zylinders durch die federbelasteten Kolbenschieber bei niedrigen Gasdrücken geöffnet sind, müssen gleichzeitig die Einspritzkanäle der Einspritzpumpen des 3. und 4. Zylinders durch die federbelasteten Kolbenschieber geschlossen sein.

Bei hohem Gasdruck sind also die Einspritzkanäle für den 1. und 2. Zylinder geschlossen und für den 3. und 4. Zylinder geöffnet. Eine vorzeitige Einspritzung im 3. und 4. Zylinder bei gleichen Drücken während des Expansionshubes im 1. und 2. Zylinder erfolgt nicht, weil gleichzeitig der Kompressionsdruck für den Antrieb der Einspritzpumpen nicht hoch genug ist.

In der DE-OS 35 21 333 ist außerdem eine Anlaß-Einspritzpumpe angegeben, die auch Kolbenschieber und Steuerleitungen hat. Diese Einrichtung ist aber nicht wirkungsvoll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß die Einspritzungen nur durch die Kolbenschieber der Einspritzpumpen gesteuert werden, und daß eine Wiederholung der Anlaß-Einspritzungen in jedem Zylinder erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Einspritzeinrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Anlaß-Einspritzungen, die bei eingeschalteten Glühkerzen und einem Anlaßdruck von 5 bar erfolgen, werden nach der direkten Einspritzung im 1. Zylinder durch die Kolbenschieber der Einspritzpumpen gesteuert.

Da außerdem eine Wiederholung der Anlaß-Einspritzungen in jedem Zylinder erforderlich ist, besteht die Anlaß-Einspritzpumpe erfindungsgemäß aus einem von Druckluft angetriebenen Pumpenkolben mit einem Steuerschieber der von Hand geschaltet wird, und einem von Hand geschalteten Walzenschieber, der mit jeder Einspritzpumpe durch eine Anlaß-Einspritzleitung verbunden ist.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt des Zweitakt-Dieselmotors mit gegenläufigen Freikolben und die Anordnung der Einspritzpumpe 10 und der Anlaß-Einspritzpumpe 30,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Steuerleitungen S der vier Einspritzpumpen 10 mit den Kompressionsräumen des 1. bzw. 2. Zylinders,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anlaß-Einspritzleitungen 26 zwischen der Anlaß-Einspritzpumpe 30 und den vier Einspritzpumpen 10,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Pumpenkolben 11,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Kolbenschieber 13 der Einspritzpumpe 10,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Pumpenkolben 31, den Druckluftkolben 32 und den Steuerschieber 33 und

Fig. 9 einen Längsschnitt durch den Walzenschieber 34 der Anlaß-Einspritzpumpe 30.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die jeweiligen Draufsichten der Fig. 4 und 5 ebenso wie die

Fig. 10 und 11 von den Fig. 8 und 9.

Bei diesen Motoren arbeiten in jedem Zylinder 1 zwei Freikolben 2, die mit dünnen Pumpenkolben 4 der außen angeordneten Hydropumpe 3 verbunden sind. Die Hübe der Freikolben werden nach innen durch die verdichtete Verbrennungsluft in dem gemeinsamen Kompressionsraum begrenzt. Die äußeren Hubbegrenzungen erfolgen durch die verdichtete Luft in den zwei Pufferkammern der außen verschlossenen Zylinder.

Bei den Kompressionshüben werden die Freikolben durch die verdichtete Pufferluft beschleunigt. Die Kompressionsarbeit wird durch die kinetische Energie der Freikolben geleistet.

Da die Beschleunigungen der Freikolben durch die Pufferdrücke kleiner sind als durch die Verbrennungsdrücke, sind die Kolbengeschwindigkeiten bei den Kompressionen kleiner als bei den Expansionen.

Durch die gegenläufigen Freikolben hat jeder Zylinder einen vollständigen Massenausgleich. Außerdem sind diese Motoren unempfindlich gegen hohe Verbrennungsdrücke und gegen Frühzündungen.

Der Motor arbeitet mit einer Gleichstromspülung ohne Ventile. Die an den äußeren Hubenden der Freikolben liegenden Einlaßschlitze E und Auslaßschlitze A werden hierbei von den Freikolben gesteuert. Die Spülluft wird von dem Abgasturbolader 40 durch die Ladeluftleitung 42 in den Zylinder gedrückt und verdrängt das restliche Abgas in die Abgasleitung 41. Die durch Kompressionsluft angetriebenen Einspritzpumpen 10 sind mit den in der Mitte der Zylinder liegenden Kompressionsräumen verbunden. Das Anlassen erfolgt bei eingeschalteten Glühkerzen durch Druckluft und eine Anlaß-Einspritzpumpe 30. Durch tangentiale Einströmung der Spülluft erfolgt die Gleichstromspülung mit Drall. Hierdurch werden die Abgase vollständig ausgespült und es wird außerdem bei einer tangentialen Einspritzung mit einer Einloch- Einspritzdüse in der gleichsinnig kreisenden Luftladung an der Zylinderwand eine gute Gemischbildung erreicht. Die Verbrennung, die mit den der Luft zugewandten Kraftstoffteilchen beginnt, verläuft In dem Kompressionsraum von außen nach innen geordnet und ist daher weich und vollständig bei niedrigem Einspritzdruck und geringerem Luftverhältnis. Der vorgeschlagene Motor ist daher für verschiedene Kraftstoffe geeignet. Da bei den gegenläufigen Freikolben das Oberflächen-/Volumen- Verhältnis klein ist, sind die Wärmeverluste auch klein.

Die vorgeschlagenen Motoren sind durch die gute Gemischbildung und durch die Einspritzpumpen mit Kompressionsantrieb für schnellen Lauf geeignet und können außerdem durch Abgasturbolader mit mittleren Drücken von 9 bis 15 bar arbeiten.

Nach Fig. 1 ist jede der in der Mitte der Zylinder 1 angeordneten Einspritzpumpen 10 durch einen Kanal mit dem Kompressionsraum und durch eine Anlaß-Einspritzleitung 26 mit der Anlaß-Einspritzpumpe 30 verbunden. Die Einspritzpumpen 10 haben außerdem Anschlüsse für die Kraftstoffleitung 21, die Einspritzleitungen 22 und die Steuerleitungen S.

Nach Fig. 2 ist bei Vierzylinder-Motoren der Kompressionsraum des 1. Zylinders durch eine Steuerleitung S mit den Einspritzpumpen 10 des 2. und 3. Zylinders, und der Kompressionsraum des 2. Zylinders über eine Steuerleitung S mit den Einspritzpumpen des 1. und 4. Zylinders verbunden. Außerdem sind die Kolbenstellungen in den vier Zylindern bei der Einspritzung im 2. bzw. 3. Zylinder dargestellt. Die Einspritzungen im 1. und 2. Zylinder werden gegenseitig wie bei Zweizylinder-Motoren durch die Drücke im 2. bzw. 1. Zylinder bei der Spülung gesteuert. Im 3. und 4. Zylinder dagegen sind die Einspritzkanäle nur nach den mittleren Kompressionsdrücken im 1. bzw. 2. Zylinder geöffnet. Eine vorzeitige Einspritzung während der Expansion im 1. bzw. 2. Zylinder erfolgt nicht, weil gleichzeitig der für die Einspritzung erforderliche Kompressionsdruck im 3. bzw. 4. Zylinder noch nicht hoch genug ist. Nach Fig. 3 ist die Anlaß-Einspritzpumpe 30 durch die Anlaß-Einspritzleitungen 26 mit den vier Einspritzpumpen 10 verbunden. Außerdem sind die Kolbenstellungen im 1. und 2. Zylinder bei Beginn der Anlaß-Einspritzungen im 2., 3. und 4. Zylinder dargestellt. Beim Anlassen strömt die Anlaß-Druckluft durch die Anlaß-Leitung in die Kompressionsräume und drückt alle Freikolben nahezu in Mittelstellung. Bei eingeschalteten Glühkerzen erfolgen die Anlaß-Zündungen nacheinander bei Verbindung der Anlaß-Einspritzpumpe 30 mit den Einspritzpumpen 10. Die Anlaß-Einspritzungen werden mit den Einspritzpumpen 10 gesteuert.

In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch die Einspritzpumpe und den Regeldorn für die Einspritzmenge dargestellt. Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Kolbenschieber für die Einspritzsteuerung. Die Fig. 6 und 7 zeigen Querschnitte durch das gemeinsame Gehäuse. Bei der Einspritzpumpe wird der Pumpenkolben 11 über den federbelasteten Kolben 12 durch die Kompressionsluft angetrieben und das Einspritzventil als Druckventil verwendet. Bei dem mit einem Druck von 2 bar einströmenden Kraftstoff erfolgt die Regelung der Einspritzmenge durch den Regeldorn 15, der über die Regelstange 27 mit einem Fahrpedal bzw. einem Drehzahlregler verstellt wird. Die Einspritzpumpe ist durch einen kurzen Kanal 23 mit dem Kompressionsraum verbunden und hat Anschlüsse für die Kraftstoffleitung 21, die Einspritzleitung 22, die Anlaß-Einspritzleitung 26, die Steuerleitung S und die Anlaß-Druckluftleitung 25. Außerdem ist in der Einspritzpumpe das Rückschlagventil 18 vor dem Kolbenschieber 13 und ein Rückschlagventil an der Anlaß-Einspritzleitung 26 angeordnet. Mit dem Sperrstift 19 wird der Pumpenkolben 11 durch die Schaltstange 28 gesperrt. Hinter dem Pumpenkolben 11 und dem Rückschlagventil 18 ist der federbelastete Kolbenschieber 13 angeordnet, der durch den Gasdruck des 1. bzw. 2. Zylinders verstellt wird, damit die Einspritzungen gesteuert werden und nahezu gleichmäßige Abstände haben. Der Kolbenschieber hat durch Rillen und gegenüberliegende Bohrungen in der Schieberbüchse einen Druckausgleich und bleibt bei den hohen Einspritzdrücken leichtgängig.

Durch die vorgeschlagene Einspritzungssteuerung können die Pufferkammern einfach in den wassergekühlten Zylindern angeordnet werden und die Freikolben werden durch die Pufferluft gut gekühlt. Die Pufferarbeit und die Kompressionsarbeit wird durch die kinetische Energie der Freikolben geleistet. Bei der weichen Hubbegrenzung durch die Pufferluft bzw. die verdichtete Verbrennungsluft ist der Gang erschütterungsfrei. Da der freie Hubwechsel ohne Störung erfolgt, bleiben auch die bei niedrigem Ladedruck gesteuerten Früheinspritzungen mit niedrigem Verdichtungsdruck wirkungsvoll. Höhere Lade-, Verdichtungs- und Verbrennungsdrücke stellen sich mit größerer Einspritzmenge automatisch ein. Durch einen höheren Ladedruck und einen größeren Verdichtungsraum der Puffer ist für einen Verdichtungsdruck von 60 bar und einen Verbrennungsdruck von über 100 bar der max. Pufferdruck nur 40 bar. Die in den Freikolben angeordneten Pufferkammern sind konisch, damit ein Hartanschlag vermieden wird. Außerdem ist die Kühlung der Freikolben bei größerem Pufferspalt günstiger.

In den Fig. 8 und 9 sind Längsschnitte und in den Fig. 10 und 11 Querschnitte der Anlaß-Einspritzpumpe dargestellt. Die Anlaß-Einspritzpumpe für Zweizylinder- und Vierzylindermotoren besteht aus dem Pumpenkolben 31, der von dem einfachwirkenden, federbelasteten Druckluftkolben 32 angetrieben wird, dem Steuerschieber 33 für das Einströmen bzw. Ausströmen der Druckluft, und dem Walzenschieber 34 mit den Anschlüssen für die Anlaß-Einspritzleitungen 26 zu den zwei bzw. vier Einspritzpumpen.

Da der Walzenschieber 34 und der Steuerschieber 33 von Hand geschaltet werden, können die Anlaß-Einspritzungen mit konstanten Mengen in jedem Zylinder wiederholt werden.

Die vorgeschlagenen Zweitakt-Dieselmotoren mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe können außerdem durch eine Puffer-Ladeeinrichtung mit automatischer Regelung des Puffer-Ladedruckes und durch Düsenventile für hohe Förderdrücke in Verbindung mit Hydromotoren als Fahrzeugantriebe verwendet werden, die bei einfacher Bauart, niedrigem Leistungsgewicht und niedrigem Kraftstoffverbrauch unempfindlich sind gegen hohe Verbrennungsdrücke und Frühzündungen und bei vollständiger Verbrennung für alle Kraftstoffe geeignet sind. Außerdem können Zweitakt-Dieselmotoren mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe in Verbindung mit Gegendruck-Freistrahlturbinen für den Antrieb von Stromerzeuger mit hoher Drehzahl und hoher Leistung verwendet werden.

Bei niedrigen Wärme- und Druckverlusten ist die Übertragung der Hubbewegung der Freikolben durch das von der Hydropumpe geförderte Drucköl in die Drehbewegung des Hydromotors bedeutend günstiger als bei einem Kurbeltrieb. Außerdem kann bei Fahrzeugantrieben mit dem Hydromotor das Anfahren und eine kurzzeitige Regelung der Fahrgeschwindigkeit durch eine Änderung der Fördermenge ohne Gangschaltung erfolgen.

Claims (3)

1. Einspritzeinrichtung, für Zweitakt-Dieselmotoren mit gegenläufigen Freikolben und Hydropumpe, die durch eine Gasdrucksteuerung der Einspritzungen bei niedrigen Gasdrücken während der Spülung bzw. bei hohen Gasdrücken während der Kompression im 2. bzw. 1. Zylinder einen für Zweizylinder- bzw. Vierzylinder-Motoren gleichmäßigen Einspritzabstand gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zweizylinder-Motoren die hinter den Pumpenkolben (11) angeordneten federbelasteten Kolbenschieber (13) der durch die Kompressionsluft angetriebenen Einspritzpumpen (10) des 1. und 2. Zylinders durch die Steuerleitungen (S) mit den Kompressionsräumen des 2. bzw. 1. Zylinders verbunden sind.

2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vierzylinder-Motoren die hinter den Pumpenkolben (11) angeordneten, federbelasteten Kolbenschieber (13) der durch die Kompressionsluft angetriebenen Einspritzpumpen (10) des 2. und 3. Zylinders durch die Steuerleitungen (S) mit dem Kompressionsraum des 1. Zylinders und die Kolbenschieber (13) der Einspritzpumpen (10) des 1. und 4. Zylinders durch die Steuerleitungen (S) mit dem Kompressionsraum des 2. Zylinders verbunden sind.

3. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die von Hand geschalteten Anlaß-Einspritzungen der Anlaß-Einspritzpumpe (30) von den Einspritzpumpen (10) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaß-Einspritzpumpe (30), die mit jeder Einspritzpumpe (10) durch eine Anlaß-Einspritzleitung (26) verbunden ist, aus dem von Druckluft angetriebenen federbelasteten Druckluftkolben (32) mit dem Pumpenkolben (31), der durch den Steuerschieber (33) geschaltet wird, und dem von Hand geschalteten Walzenschieber (34) für die Anlaß-Einspritzleitungen (26) besteht.