EP4528074A1 - Verbrennungsmotor nach dem gegenkolbenprinzip - Google Patents

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EP4528074A1
EP4528074A1 EP24000112.3A EP24000112A EP4528074A1 EP 4528074 A1 EP4528074 A1 EP 4528074A1 EP 24000112 A EP24000112 A EP 24000112A EP 4528074 A1 EP4528074 A1 EP 4528074A1
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EP
European Patent Office
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lubricant
combustion engine
internal combustion
carbon
pistons
Prior art date
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Pending
Application number
EP24000112.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Enver KURUTAS
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication of EP4528074A1 publication Critical patent/EP4528074A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/02—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
    • F01B7/14—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons acting on different main shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M11/00—Component parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart from, groups F01M1/00 - F01M9/00
    • F01M11/02—Arrangements of lubricant conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M1/00—Pressure lubrication
    • F01M1/06—Lubricating systems characterised by the provision therein of crankshafts or connecting rods with lubricant passageways, e.g. bores
    • F01M2001/062—Crankshaft with passageways
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen

Definitions

  • This lubrication effect remains active even after the engine has been shut down and subsequently restarted.
  • the centrifugal discs are each provided with a circumferential groove on the side exposed to lubricant by the injectors, into which the lubricant is injected.
  • the grooves are each provided with at least one axial through-hole, which is aligned with a through-hole through the respective eccentric to the respective needle bearing of the connecting rod.
  • the lubricant injection quantity is adjustable. This reduces the use of lubricant to the actually necessary amount.
  • the lubricant can consist of a dust-fine, dry, carbon-based lubricant, similar to graphite powder, which is formed from the abrasion of the carbon or carbon-ceramic material and does not require external input.
  • the injectors for the lubricant are fed from a lubricant reservoir into which recyclable lubricant is returned from the said connecting rod bearing.
  • the lubricant for the connecting rod bearings can consist of a dust-fine dry lubricant based on carbon.
  • the fuel used consists at least partly of hydrogen.
  • the fuel consists of the two components hydrogen and oxygen, which can be introduced into the combustion chamber in gaseous form from two separate tanks and separately.
  • Figure 1 shows a perspective view of the engine 1.
  • Pistons 3, 3' which act as opposing pistons, are arranged within the cylinder 2.
  • These pistons contain piston rings 4, 4' made of a carbon or carbon-ceramic material with the specific material properties mentioned above.
  • the piston rings and the cylinder inner wall are made of steel.
  • the cylinder is preferably made of steel, as used for hydraulic cylinders.
  • the inner cylinder wall is polished accordingly.
  • hydraulic pipes made of precision steel pipes DIN EN 10305-4 can be used very advantageously.
  • a special aspect that is essential for the invention is the use of internally polished hydraulic tubes as cylinders for this engine according to the invention.
  • the inner surfaces used in the prior art which are honed and thus While the inner surfaces of the cylinder according to the invention have a grooved structure, they are polished completely smooth. In the prior art, honing these surfaces is intended to increase the adhesion of lubricating oil.
  • the new type of lubrication in the piston-cylinder area is achieved entirely through the (short-term) abrasion of the carbon material. This is an important feature for the achieved effects in the combustion engine according to the invention, in conjunction with the lubrication via the finest abrasion of the carbon material described above. This not only eliminates the need for a honed inner cylinder surface, but would actually be counterproductive in the present invention.
  • the two pistons 3, 3' which act as opposing pistons in cylinder 2, are made of carbon or carbon-ceramic material.
  • One of the pistons runs on the crankshaft 5 via a piston-connecting rod-crankshaft connection, and the opposing piston runs on the crankshaft 5'. Both pistons compress the same compression chamber in cylinder 2.
  • Pistons 3, 3' are known to be equipped with piston rings, which are made of steel. These rings are located in circumferential grooves around the pistons in so-called piston ring seats.
  • piston rings 4, 4' rub against the piston ring seats of the carbon or carbon-ceramic pistons 3, 3', producing a microfine abrasion of carbon dust that deposits itself on the contacting friction surfaces. This state is reached within a period of ⁇ 0.5 seconds. From this moment on, friction is so greatly reduced that practically no further abrasion occurs. As the temperature rises, friction and abrasion then adapt to the operating condition.
  • the connecting rod connections each engage eccentrics 8, 8' of the crankshafts 5, 5' on both sides of the internal combustion engine.
  • the aforementioned flinger discs 10, 10' are arranged. These are each supplied with injected lubricant by an injector 9, 9' on each piston shaft.
  • the injectors are connected to lubricant reservoirs and pumps (not shown in detail here), via which minimally dosed lubricant is supplied at adjustable cyclical time intervals.
  • each of the flinger discs 10, 10' which opens with the further opening in the eccentric into the area of the needle bearings of the connecting rods, thereby creating a lubricant-tight connection from outside the eccentric, even up to the needle bearings of the connecting rods 8a, 8a'.
  • the lubrication required in the connecting rod area is thus limited to the necessary amount. Any dripping lubricant is collected, filtered if necessary, and fed back to the injector(s) on each centrifugal disc.
  • parts of the connecting rod and crankshaft bearings i.e., bearing shells and/or bearing washers of the connecting rod-crankshaft connection, can be made of the aforementioned carbon or carbon-ceramic material.
  • this area would also be lubricated in the manner described above, with minimal abrasion of the engaging surfaces.
  • the injectors can also be used in such a way that the powdered abrasion is returned to the injectors.
  • the two opposing crankshafts 5, 5' are coupled via drive pulleys 6 and 6' and a drive belt 7 to achieve precise, positively driven synchronization of both crankshafts.
  • the drive belt 7 can be adjusted for optimal, slip-free synchronization via an adjustable deflection pulley 14.
  • a preferred material with narrower material data ranges is as follows: - Bulk density 1.95 to 196 (g/cm3 ) - porosity 6 to 8 (%) - Flexural strength from 85 to 90 (MPa) - Compressive strength from 220 to 230 (MPa) - Modulus of elasticity 15 to 17 (GPa) - Thermal expansion coefficient. 7.4 (10 -6 /K) - Rockwell hardness HR5/150 120 - Thermal conductivity from 58 to 62 (W/mK) - Average grain size from 8 to 10 ( ⁇ m)
  • the engine according to the invention is equally suitable as a drive unit in all vehicles.
  • the basic design can be expanded from the two-piston version with one cylinder to multiple cylinders and a corresponding number of pistons.
  • the engine according to the invention is designed and optimized for the use of hydrogen as fuel.
  • FIG 2 shows again the centrifugal discs 10, 10' mounted on both crankshafts 5 and 5'. These are each provided with a circumferential groove 11. Within the groove there is at least one bore 12, which is Figure 1 The injector 9 shown is supplied with lubricant. Thus, there are flinger discs on both crankshafts, through which the respective connecting rod-crankshaft connections are lubricated.
  • FIG 3 shows once again the exact position of the centrifugal disc 10 on the crankshaft 5, correspondingly also the centrifugal disc and crankshaft opposite each other.
  • the lubricant injected via the injector is guided through the respective opening 12 of the respective centrifugal disc 10.
  • the necessary forces for this are generated by the rotation on the crankshaft itself.
  • the opening 12 of the centrifugal discs 10 is aligned with a further through-opening 12a in the eccentric 8 and opens into the needle bearing of the connecting rod 8a, where they provide precise lubrication.
  • the through-opening 12a can also be reinforced by tubes pressed into it.
  • the bearing 13 of the crankshaft 5 itself is a self-lubricating bearing in one possible embodiment. In another possible embodiment, At least the bearing shells are made of carbon or carbon-ceramic material. All of these details are designed identically on the side of the opposite crankshaft 5'.
  • the above-mentioned possible material carbon or carbon-ceramic material can, for example, be a material in which carbon is introduced into an aluminum matrix or an aluminum oxide matrix, or sintered by heat treatment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um hierbei den besagten Verbrennungsmotor bei kompakter Bauweise mit hoher Leistungsdichte dahingehend weiterzuentwickeln, dass er für den Einsatz von Wasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Biokraftstoffen (Biofuels) bei hoher abrufbarer Dauerleistung hochtemperaturfest ausgelegt ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Pleuellager (8a, 8a') über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle (5, 5') angeordnete Schleuderscheibe (10, 10') und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe (10, 10') befindlichen Injektor (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder (2) sowie die Kolbenringe (4, 4') der Kolben (3, 3') aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Verbrennungsmotoren nach dem Zweitakt-Gegenkolbenprinzip sind bekannt, und gehen historisch auf den sogenannten Junkers Motor zurück. Zwei gegenläufige Kolben laufen dabei in einem gemeinsamen Zylinder. Die Kolbenbewegungen sind so abgestimmt, dass sie in einem Takt gleichzeitig aufeinander zulaufen und somit eine enorme Verdichtung im Verbrennungsraum erzielen. Hierbei ist besonders darauf zu achten, dass deren Bewegungen genau aufeinander synchronisiert sind und die Zündung zum genauen Zeitpunkt der maximalen Verdichtung erfolgt. Im Hinblick auf das Verhältnis von Leistung zu Hubvolumen hat dieser Motortyp enorme Vorteile. Der Motor ist somit bezogen auf seine erzielbare Leistung kleinbauend. Ein Beispiel für einen präzise synchronisierten Motor dieser Art ist aus der DE 10 2011 114 854 A1 bekannt.
  • Unter Berücksichtigung der sogenannten Ökoeffizienz besteht ein ungebrochener Trend zu Elektroantrieben in Fahrzeugen. Bestehendes Problem dabei ist die Limitierung der Speicherbarkeit von elektrischer Energie in Fahrzeugen, um entsprechende Reichweiten auch unter nicht optimalen Fahrbedingungen und auch im Winterbetrieb zu erhalten.
  • In Bezug auf alternative Kraftstoffe ist anzumerken, dass nicht alle herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf nachhaltige erneuerbare Kraftstoffe ohne erheblichen Aufwand umrüstbar sind. Dies gilt für Flüssigkraftstoffe ebenso wie für gasförmige Kraftstoffe. Hierzu zählen Biogas, aber allen voran auch Wasserstoff.
  • Bezogen auf die bereits geschilderte hohe Leistung bezüglich des Hubvolumens und damit auch in Bezug auf die kleinbauende Konstruktion solcher Motoren versagen bekannte Maßnahmen zur hochtemperaturfesten Schmierung solcher Motoren oftmals.
  • Mit Bezug auf die Schmierung von Motoren im Kolben-Zylinder-Bereich ist es im Stand der Technik üblich, dass die Zylinderinnenflächen in der Regel gehont sind. Diese Oberflächenbehandlung betrifft die sogenannten tribologischen Eigenschaften, zur Herabsetzung der Reibung. Tatsächlich ist die Innenoberfläche nach einer Honung aber nicht glatt, sondern ergeben eine feine Riefenstruktur, in einer Art Kreuzschliffstruktur. Beim Einsatz von Schmiermitteln, d.h. Schmierölen soll diese Struktur die Anhaftung von ölhaltigen Schmiermitteln erhöhen. Beim Einsatz von oben genannten wasserstoffhaltigen Kraftstoffen ist eine Ölschmierung unvorteilhaft bis unmöglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den besagten Verbrennungsmotor bei kompakter Bauweise mit hoher Leistungsdichte dahingehend weiterzuentwickeln, dass er für den Einsatz von Wasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Biokraftstoffen (Biofuels) bei hoher abrufbarer Dauerleistung hochtemperaturfest ausgelegt ist.
  • Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verbrennungsmotors der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.
  • Kern der Erfindung ist dabei, dass die Pleuellager über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle angeordnete Schleuderscheibe und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe befindlichen Injektor mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder sowie die Kolbenringe der Kolben aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.
  • Eine ansonsten übliche Ölwanne, wie sie für einen Gegenkolbenmotor auch aus der DE 10 2011 114 854 A1 bekannt ist, in die bewegliche Teile der Kurbelwelle bzw Exzenter eintauchen müssen, entfallen hierbei. Stattdessen erfolgt eine lnjektorgesteuerte präzise platzierte und dosierbare Schmierung dort wo sie benötigt wird.
  • Da beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff auch Sauerstoff mit eingesetzt werden soll, scheidet die Verwendung von Ölschmierung im Brennraum sowieso aus.
  • Der Zylinder, bzw die Zylinderinnenwandung besteht aus Stahl, vorzugsweise Stahl, wie er für hochfeste Hydraulikrohre verwendet wird. Die Kolben bestehen aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff. Die Kolbenringe bestehen ebenfalls aus Stahl und liegen wie üblich in umlaufenden Rillen, den Kolbenringsitzen auf dem Kolben ein. Die Schmierung in diesem Bereich erfolgt nun dadurch, dass die aus Stahl bestehenden Kolbenringe in der Rille, des aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehenden Kolbens, also dem Kolbenringsitz einen feinen Abrieb von Carbonstaub erzeugen, der sodann die aus Stahl bestehenden Kolbenringe im aus Stahl bestehenden Zylinder gegeneinander schmiert. Eine weiterer, wenn auch nur noch sehr geringer, zumindest nur beim Start notwendiger Abrieb an Carbonwerkstoff schmiert somit auch den Kolben im Zylinder. Es hat sich in Langzeit- bzw Dauerbetriebsversuchen gezeigt, dass dieser recht geringe Abrieb des Carbonmaterials ausreichend ist, um Kolben mit Kolbenringen im Zylinder zu schmieren.
  • Auch nach Außerbetriebnahme des Motors und nachfolgendem Neustart verbleibt dieser Schmierungseffekt aktiv.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Schleuderscheiben mit jeweils einer von den Injektoren mit Schmiermittel beaufschlagten Seite umlaufend eingebrachten Rille versehen ist, in die hinein die Schmiermittelinjektion erfolgt, und die Rillen jeweils mit mindestens einer axialen Durchgangsöffnung versehen ist, die mit einer Durchgangsöffnung durch den jeweiligen Exzenter bis zum jeweiligen Nadellager der Pleuel fluchten. So wird das Schmiermittel direkt zur benötigten Stelle dosiert zugeführt.
  • Im Bereich der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung, also der Pleuellager erfolgt per Injektoren nur noch eine bedarfsgerechte Schmierung, lokalisiert auf die dort notwendige Schmierung.
  • Als Ausgangsstoffe für die besagten Kolben sind Carbon- oder carbonkeramische Werkstoffe, bspw. Werkstoffe mit der Bezeichnung FE 679, FE 709, FE 679 Q bspw der Firma Schunck Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim, Deutschland, verwendbar.
  • Folgende Werkstoffparameter der Carbon- oder carbonkeramischen Werkstoffe sind für die Umsetzung der Erfindung bedeutsam:
    - Rohdichte von 1,75 bis 1,98 (g/cm3)
    - Porösität von 6 bis 11 (%)
    - Biegefestigkeit von 55 bis 90 (MPa)
    - Druckfestigkeit von 145 bis 245 (MPa)
    - Elastizitätsmodul 15 bis 26 (GPa)
    - Thermischer Ausdehnungskoeffiz. 5,1 bis 7,5 (10-6/K)
    - Härte Rockwell HR5/150 110 bis 120
    - Wärmeleitfähigkeit von 37 bis 62 (W/mK)
    - Mittlere Korngröße von 8 bis 12 (µm)
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schmiermittelinjektionsmenge einstellbar ist. Hiermit wird der Einsatz von Schmiermittel auf das tatsächlich notwendige Maß reduziert.
  • Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Zykluszeiten zwischen den Injektionen einstellbar sind. Auch dies reduziert einerseits die Menge an Schmiermittel, und andererseits wird die Schmierung auf die notwendigen Areale beschränkt.
  • In weiterer Ausgestaltung kann das Schmiermittel flüssiges Schmiermittel sein, wozu Schmieröle gehören, sofern dies nur noch auf die Pleuellager beschränkt bleibt.
  • Alternativ kann das Schmiermittel aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis bestehen. In der Art eines Graphitpulvers, was sich aus dem Abrieb des Carbon- bzw des carbonkeramischen Werkstoffes bildet, und nicht von extern zugeführt werden muss.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Injektoren für das Schmiermittel aus einem Schmiermittelreservoir gespeist werden, in welches aus der besagten Pleuellager rückführbares Schmiermittel zurückgeführt wird.
  • In einer Ausgestaltungsversion kann das Schmiermittel für die Pleuellager aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis bestehen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können die Lager oder Lagerschalen der Kurbelwellen aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehen. Ein sich am Beginn der Betriebes einstellender mikrofeiner Abrieb wird dabei sozusagen die Feststoffschmierung in diesem Bereich übernehmen. Da diese Art der Schmierung höchsttemperaturfest ist können Kraftstoffe verwendet werden, die auf höherer und damit effizienterer Verbrennungstemperatur arbeiten. Dies gilt insbesondere für Wasserstoff, und Wasserstoff enthaltende Gasgemische.
  • In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass der eingesetzte Kraftstoff zumindest teilweise aus Wasserstoff besteht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Kraftstoff aus den beiden Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff besteht, die aus zwei separaten Tanks gasförmig und getrennt in den Brennraum einleitbar sind.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Figur 1: Perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
    • Figur 2: Schleuderscheibe
    • Figur 3: weitere Darstellung des Verbrennungsmotors
  • Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Motors 1. Innerhalb des Zylinders 2 sind die als Gegenkolben arbeitenden Kolben 3, 3' angeordnet. Diese enthalten Kolbenringe 4, 4' aus einem Carbon- bzw Carbon-Keramikwerkstoff mit den eingangs genannten spezifischen Materialdaten. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kolbenringe und die Zylinderinnenwand aus Stahl.
  • Verzugsweise wird für den Zylinder Stahl verwendet, wie er für Hydraulikzylinder vorgesehen ist. Die Zylinderinnenwand ist entsprechend innenpoliert.
  • Hierzu können beispielsweise Hydraulikrohre aus Präzisionsstahlrohren DIN EN 10305-4 sehr vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Ein besonderer, für die Erfindung wesentliche Aspekt besteht im Einsatz innenpolierter Hyraulikrohre als Zylinder für diesen erfindungsgemäßen Motor. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten Zylinderinnenoberflächen, die gehont sind und somit eine Riefenstruktur aufweisen, sind die Innenoberflächen des erfindungsgemäßen Zylinders völlig glatt poliert. Im Stand der Technik soll die Honung dieser Flächen die Anhaftung von Schmieröl erhöhen.
  • Die neue Art der Schmierung im Kolbenzylinderbereich wird vollständig durch den (kurzzeitigen) Abrieb des Carbonwerkstoffes bewirkt. Dies ist ein für die erzielten Wirkungen beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wichtiges Merkmal, im Zusammenwirken mit der oben bereits beschriebenen Schmierung über feinsten Abrieb des Carbonwerkstoffes. Somit entfällt nicht nur die Notwendigkeit einer gehonten Zylinderinnenoberfläche, sondern sie wäre bei der vorliegenden Erfindung sogar kontraproduktiv.
  • Die im Zylinder 2 als Gegenkolben laufenden beiden Kolben 3, 3' bestehen erfindungsgemäß aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff. Einer der Kolben läuft über eine Kolben-Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung auf der Kurbelwelle 5 und der Gegenkolben entsprechend auf der Kurbelwelle 5'. Beide Kolben komprimieren denselben Kompressionsraum im Zylinder 2.
  • Die im Detail nicht weiter sichtbaren Kolben 3, 3' sind bekanntermaßen mit Kolbenringen versehen die wiederum aus Stahl bestehen. Sie liegen bekanntermaßen in umlaufenden Rillen um die Kolben in sogenannten Kolbenringsitzen ein. Bei der ersten Inbetriebnahme reiben die aus Stahl bestehenden Kolbenringe 4, 4' in den Kolbenringsitzen der aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehenden Kolben 3, 3' einen mikrofeinen Abrieb von Carbonstaub, der sich auf die in Berührung kommenden Reibungsflächen auflegt. Dieser Zustand ist in einem Zeitraum von < 0,5 Sekunden erreicht. Ab diesem Moment ist die Reibung so stark herabgesetzt, dass praktisch kaum noch ein weiterer Abrieb erfolgt. Im Weiteren Temperaturanstiegsverlauf passt sich Reibung und Abrieb sodann auch auf den Betriebszustand an.
  • Die Pleuel -Verbindungen greifen jeweils auf Exzenter 8, 8' der Kurbelwellen 5, 5' auf beiden Seiten des Verbrennungsmotors ein. Auf denselben Kurbelwellen, sind neben der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung die besagten Schleuderscheiben 10, 10' angeordnet. Diese werden von jeweils einem Injektor 9, 9' auf jeder Kolbenwelle mit injiziertem Schmiermittel beaufschlagt. Dafür sind die Injektoren mit hier nicht weiter dargestellten Schmiermittelreservoirs und Pumpen verbunden, über die in einstellbaren zyklischen Zeitintervallen minimal dosierte Schmiermittel nachgeführt werden. Über die besagte mindestens eine Durchgangsöffnung 12 in jeder der Schleuderscheiben 10, 10', die mit der weiterführenden Öffnung im Exzenter bis in den Bereich der Nadellager der Pleuel ausmünden, wodurch sich eine schmiermittelschlüssige Verbindung von außerhalb des Exzenters, sogar bis hin zu den Nadellagern Pleuel 8a, 8a' geschaffen ist.
  • Die im Bereich der Pleuel benötige Schmierung wird damit auf das nötige Maß beschränkt. Abtropfendes Schmiermittel wird aufgefangen ggfs gefiltert und dem Injektor, bzw den Injektoren an jeder Schleuderscheibe wieder zugeführt wird.
  • In einer anderen Ausführungsform können Teile der Lagerung von Pleuel und Kurbelwellen, d.h. Lagerschalen und/oder Lagescheiben der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung aus dem besagten Carbon- oder carbonkeramischen Werkstoff bestehen. Damit würde in diesem Ausführungsbeispiel auch dieser Bereich in der oben beschriebenen Weise mit dem minimalen Abrieb der in Eingriff stehenden Oberflächen geschmiert. Wahlweise können auch in diesem Falle die Injektoren so eingesetzt werden, dass auf diese Weise der pulverförmige Abrieb den Injektoren rückgeführt wird.
  • Die beiden gegenüberliegenden Kurbelwellen 5, 5' werden über Treibriemenräder 6 und 6' und einen Treibriemen 7 miteinander gekoppelt um einen exakten zwangsgeführten Gleichlauf beider Kurbelwellen zu erzielen. Über eine verstellbare Umlenkrolle 14 kann der Treibriemen 7 für einen optimalen schlupffreien Gleichlauf eingestellt werden.
  • In Bezug auf die eingangs genannten Werkstoffdatenbereich des Carbon- bzw carbonkeramischen Werkstoffes besteht ein bevorzugter Werkstoff mit engeren Werkstoffdatenbereichen wie folgt:
    - Rohdichte 1,95 bis 196 (g/cm3)
    - Porösität 6 bis 8 (%)
    - Biegefestigkeit von 85 bis 90 (MPa)
    - Druckfestigkeit von 220 bis 230 (MPa)
    - Elastizitätsmodul 15 bis 17 (GPa)
    - Thermischer Ausdehnungskoeffiz. 7,4 (10-6/K)
    - Härte Rockwell HR5/150 120
    - Wärmeleitfähigkeit von 58 bis 62 (W/mK)
    - Mittlere Korngröße von 8 bis 10 (µm)
  • Es hat sich gezeigt, dass Carbon- bzw Carbonkeramische Werkstoffe mit diesen spezifischen Werkstoffdaten einen Verbrennungsmotor der beschriebenen neuen Bauart ermöglicht, der bei einem Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff hohe Standzeiten, eine hohe Robustheit, ruhigen Gleichlauf und eine hohe Leistung erzielt.
  • Der erfindungsgemäße Motor eignet sich als Antriebseinheit gleichermaßen in allen Fahrzeugen. Die Grundbauform lässt sich von der 2-Kolben-Version mit einem Zylinder beliebig erweitern auf mehrere Zylinder und einer entsprechenden Anzahl von Kolben.
  • Insbesondere ist der erfindungsgemäße Motor ausgreift und optimiert für den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff.
  • In Verbindung mit der Erfüllung der Anforderungen der Technologie an die Forderungen zum Klimaschutz ergeben sich außerdem deutlich höhere Reichweiten gegenüber der Nutzung rein elektrischer Antriebe. Das über den Injektor 9 injizierte Schmiermittel wird durch die Bohrung 12 selbsttätig hindurch geleitet. Die dafür nötigen Kräfte werden durch die Drehung auf der Kurbelwelle selbst erzeugt.
  • Figur 2 zeigt nochmals die auf beiden Kurbelwellen 5 und 5' aufgezogenen Schleuderscheiben 10, 10'. Diese sind mit jeweils einer umlaufenden Rille 11 versehen. Innerhalb der Rille ist mindestens eine Bohrung 12 angeordnet, die vom in Figur 1 gezeigten Injektor 9 mit Schmiermittel beaufschlagt wird. Es befinden sich somit Schleuderscheiben auf beiden Kurbelwellen, durch welche die jeweiligen Pleuel-Kurbelwellen-Verbindungen geschmiert werden.
  • Figur 3 zeigt noch einmal die genaue Lage von Schleuderscheibe 10 auf der Kurbelwelle 5, entsprechend auch die Schleuderscheibe und Kurbelwelle gegenüberliegend. Das über den Injektor injizierte Schmiermittel wird durch die jeweilige Öffnung 12 der jeweiligen Schleuderscheibe 10 hindurch geleitet. Die dafür nötigen Kräfte werden durch die Drehung auf der Kurbelwelle selbst erzeugt. Die Öffnung 12 der Schleuderscheiben 10 fluchtet jeweils mit einer weiteren Durchgangsöffnung 12a im Exzenter 8 und mündet jeweils im Nadellager des Pleuels 8a aus, und nehmen dort die ortsgenaue Schmierung vor. Die Durchgangsöffnung 12a kann auch durch dort eingepresste Röhrchen verstärkt werden. Das Lager 13 der Kurbelwelle 5 selbst ist selbstschmierendes Lager in einer möglichen Ausführungsform. In einer weiteren möglichen Ausführungsform können zumindest die Lagerschalen aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehen. Alle diese Details sind auf der Seite der gegenüberliegenden Kurbelwelle 5' gleich ausgestaltet.
  • Der oben genannte möglich Werkstoff Carbon- oder carbonkeramische Werkstoff kann bspw eine Werkstoff sein, in den Kohlenstoff in ein Aluminiummatrix oder eine Aluminiumoxidmatrix eingebracht, bzw durch Wärmebehandlung eingesintert wird.
    • Positionsnummern
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Zylinder
    3, 3'
    Kolben
    4, 4'
    Kolbenringe
    5, 5'
    Kurbelwelle
    6, 6'
    Treibriemenräder
    7
    Treibriemen
    8, 8'
    Exzenter der Kurbelwelle
    8a, 8a'
    Pleuel mit Nadellagern
    9, 9'
    Injektor
    10, 10'
    Schleuderscheibe
    11, 11'
    Rille
    12
    Durchgangsöffnung in Schleuderscheibe
    12a'
    fluchtende Öffnung ins Nadellager des Pleuels
    13, 13'
    Lager (Lagerschalen) der Kurbelwelle
    14
    Spannrolle

Claims (11)

  1. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Pleuellager (8a, 8a') über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle (5, 5') angeordnete Schleuderscheibe (10, 10') und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe (10, 10') befindlichen Injektor (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder (2) sowie die Kolbenringe (4, 4') der Kolben (3, 3') aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.
  2. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schleuderscheiben (10, 10') mit jeweils einer von den Injektoren (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagten Seite umlaufend eingebrachten Rille (11, 11') versehen ist, in die hinein die Schmiermittelinjektion erfolgt, und die Rillen (11, 11') jeweils mit mindestens einer axialen Durchgangsöffnung (12, 12') versehen ist, die mit einer Durchgangsöffnung (12a, 12a') durch den jeweiligen Exzenter (8, 8') bis zum jeweiligen Nadellager der Pleuel (8a, 8a') fluchten.
  3. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zylinder (2) ein Hydraulikzylinder mit polierter Innenoberfläche ist.
  4. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schmiermittelinjektionsmenge einstellbar ist.
  5. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zykluszeiten zwischen den Injektionen einstellbar sind.
  6. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schmiermittel flüssiges Schmiermittel ist.
  7. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Injektoren (9, 9') für das Schmiermittel aus einem Schmiermittelreservoir gespeist wird, in welches aus der besagten Pleuellager rückführbares Schmiermittel zurückgeführt wird.
  8. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schmiermittel aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis besteht.
  9. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Lager oder Lagerschalen der Kurbelwellen aus Carbon oder carbonkeramischem Werkstoff besteht.
  10. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der eingesetzte Kraftstoff zumindest teilweise aus Wasserstoff besteht.
  11. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kraftstoff aus den beiden Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff besteht, die aus zwei separaten Tanks gasförmig und getrennt in den Brennraum einleitbar sind.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050274332A1 (en) * 2004-06-10 2005-12-15 Lemke James U Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine
DE102009029985A1 (de) * 2009-06-23 2010-01-28 Daimler Ag Schmiermittelversorgungseinrichtung
US20100212638A1 (en) * 2009-02-20 2010-08-26 Achates Power, Inc. Opposed piston engines with controlled provision of lubricant for lubrication and cooling
DE102011114854A1 (de) 2011-10-04 2013-04-04 Enver Kurutas Motor-Generator-Anordnung
US20170356542A1 (en) * 2016-06-08 2017-12-14 Achates Power, Inc. Gear backlash control for an opposed-piston engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050274332A1 (en) * 2004-06-10 2005-12-15 Lemke James U Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine
US20100212638A1 (en) * 2009-02-20 2010-08-26 Achates Power, Inc. Opposed piston engines with controlled provision of lubricant for lubrication and cooling
DE102009029985A1 (de) * 2009-06-23 2010-01-28 Daimler Ag Schmiermittelversorgungseinrichtung
DE102011114854A1 (de) 2011-10-04 2013-04-04 Enver Kurutas Motor-Generator-Anordnung
US20170356542A1 (en) * 2016-06-08 2017-12-14 Achates Power, Inc. Gear backlash control for an opposed-piston engine

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