WO1994015073A1 - Verbrennungsmotor mit zwei kolben pro arbeitsraum, insbesondere zweitaktmotor mit gleichstromspülung - Google Patents

Verbrennungsmotor mit zwei kolben pro arbeitsraum, insbesondere zweitaktmotor mit gleichstromspülung Download PDF

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Peter Graf Von Ingelheim
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with two pistons per working space, in particular to a two-stroke internal combustion engine with DC flushing.
  • Two-stroke motors with DC flushing have the optimal flushing method for the two-stroke process and can even be charged with asymmetrical control times.
  • Multi-piston units Engines with several (usually two) working pistons per working area are called multi-piston working units.
  • Multi-piston units as U motors were built in series as motorcycle drives.
  • a major disadvantage of these motors was that the surface / volume ratio of the work area is unfavorable and that too much heat is lost via the work area wall.
  • Multi-piston units as counter-piston engines can have a particularly favorable surface / volume ratio which is clearly superior to the single-piston engines.
  • the heat losses are reduced by reducing the heat-dissipating surface of the work space.
  • counter-piston engines of this type can be charged in a two-stroke process by asymmetrical control times.
  • a major disadvantage of previously known counter-piston engines is their very high construction costs. Either a second crankshaft or a very elaborate linkage, or a mechanism, is required to move the second,. to move the piston delimiting the working space.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention makes it possible to use counter-piston engines with small installation space and weight,
  • crankshaft with a hypocycloid gear or a crank-loop gear drives the pistons in such a way that they sit on rods which are reciprocated in a straight line in the direction of their axis or in the axial direction of the cylinder and therefore do not require a crosshead guide .
  • the piston rod of the outer piston (remote from the crankshaft) leads through a gas-tightly sealed opening of the inner piston (closer to the crankshaft) and moves back and forth.
  • FIG. 1 (A) and 1 (B) a single-cylinder internal combustion engine in a perspective view
  • FIG. 2 (A) and 2 (B) two sections through a two-cylinder internal combustion engine
  • FIG Cut In these motors, a hypocycloid gear is used as a gear thrust crank gear.
  • cranks which form the first eccentric, second eccentrics 8 are arranged, which are rotatable in ring bearings of the piston guide.
  • the axis of the crank has the eccentricity r / 2 to the axis of rotation of the associated second eccentric.
  • Teeth 4 are arranged on the crank webs 2, which engage on sections of the turning circle of the crankshaft in grooves 5 on the ring bearings of the piston guide and guarantee guidance in the (indefinite) 90 ° positions.
  • Piston rods 13 of the inner piston 11 are fixed to the outer ring bearings.
  • the piston rod 15 of the outer piston 10 is fixed to the inner ring bearing and leads through the piston surface of the inner piston 11 and moves back and forth through it. When the crankshaft rotates, the inner piston 11 and the outer piston 10 move towards and away from one another.
  • the second eccentrics 8, 9 are with roller bearings 20,
  • the two-cylinder engine shown in FIG. 3 with two pistons per working area has a crank-loop mechanism in which the connecting rods do not oscillate, as in the hypocycloid gear, but straight, axially moving rods through the Piston surface to be moved back and forth.
  • the fresh air flowing into the cylinder is thus only guided past relatively cool surfaces (and thus retains its density) and only reaches the hot surface of the exhaust gas piston when the work space is closed.
  • This piston surface which is heated by the exhaust gas flowing off, acts like a heat exchanger during the compression and heats up the enclosed fresh air during the compression. This improves engine efficiency.

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Abstract

Bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Kolben pro Arbeitsraum, insbesondere einem Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Gleichstromspülung werden die beiden Kolben (10,11) von einer Kurbelwelle (1) bewegt, wobei das Gestänge (15) zur Bewegung des kurbelwellenfernen Kolbens (10) durch die Kolbenfläche des kurbelwellennäheren Kolbens (11) führt und innerhalb des Zylinders liegt. Die Kurbelmechanik ist ein Hypozykloidengetriebe als Geradschubkurbel oder ein Kurbelschleifengetriebe. Der Kolben (10) an der Abgasöffnung besteht aus Keramik.

Description

VERBRENNUNGSMOTOR MIT ZWEI KOLBEN PRO ARBEITSRAUM, INSBESONDERE ZWEITAKTMOTOR MIT GLEICHSTROMSPÜLUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit zwei Kolben pro Arbeitsraum, insbesondere auf einen Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Gleichstromspülung.
Zweitaktmotoren mit Gleichstromspülung weisen das opti- male Spülverfahren für den Zweitaktprozeß auf und können bei unsymmetrischen Steuerzeiten sogar aufgeladen werden.
Es sind verschiedene Bauarten für Zweitaktmotoren mit Gleichstromspülung bekannt und teilweise auch realisiert wor¬ den (z.B. Doxford, Junkers usw.) - vgl. LIST, H., "Die Ver- brennungskraftmaschine", Springer Wien, 12 Bd.; HÜTTEN, H., "Motoren", Motorbuchverlag Stuttgart 1982.
Motoren mit mehreren (meist zwei) Arbeitskolben pro Ar¬ beitsraum nennt man Mehrkolben-Arbeitseinheiten. Mehrkolben- einheiten als U-Motoren wurden als Motorradantriebe in Serie gebaut. Ein wesentlicher Nachteil dieser Motoren war, daß das Oberflächen/Volumen-Verhältnis des Arbeitsraumes ungünstig ist und so zuviel Wärme über die Arbeitsraumwand verloren geht.
Mehrkolbeneinheiten als Gegenkolbenmotoren können ein besonders günstiges, den Einkolben-Motoren deutlich überlege¬ nes Oberflächen/Volumen-Verhältnis aufweisen. Durch Verklei¬ nerung der wärmeabführenden Oberfläche des Arbeitsraumes wer¬ den die Wärmeverluste verringert. Weiterhin können derartige Gegenkolbenmotoren im Zweitaktprozeß durch asymmetrische Steuerzeiten aufgeladen werden.
Ein wesentlicher Nachteil bisher bekannter Gegenkolben¬ motoren ist ihr sehr hoher Bauaufwand. Es ist entweder eine zweite Kurbelwelle oder ein am Zylinder außen vorbeiführen¬ des, sehr aufwendiges Gestänge oder eine Mechanik notwendig, um den zweiten, . den Arbeitsraum begrenzenden Kolben zu bewe¬ gen.
Auch der in DE-PS 89 096 gezeigte Gegenkolbenmotor, bei dem der kurbelwellenfernere Kolben auf einer Stange mit Kreuzkopfführung sitzt, erfordert eine große Bauhöhe des Mo¬ tors.
Dieser hohe Bauaufwand macht einen großen Bauraum und ein hohes Gewicht notwendig und ergibt hohe Reibungsverluste mit großem Schleppmoment.
Im Europamix benötigen aber Fahrzeuge der oberen Mittel¬ klasse ca. 58% ihres Leistungsverbrauchs allein zur Überwin¬ dung des Schleppmoments. Eine weitere Erhöhung des Schleppmo¬ ments, des Bauraums und des Gewichts von Fahrzeugmotoren ist aber heute untragbar (vgl. KÜHN, W. und RICHTER, K.H., "Praktische Methoden zur Bestimmung der Fahrwiderstände von PKWs, Automobil-Industrie 5/85, Vogel Verlag Würzburg) .
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung ermöglicht es, Gegenkolbenmotoren • mit geringem Bauraum und Gewicht,
• mit geringem Schleppmoment,
• mit günstigem O/V-Verhältnis,
• unter sehr vorteilhafter Verwendung von Keramik und
• mit verringerten Wärmeverlusten zu bauen.
Dies wird dadurch erreicht, daß eine Kurbelwelle mit einem Hypozykloidengetriebe oder einem Kurbelschleifengetrie¬ be die Kolben so treibt, daß diese auf Stangen sitzen, die geradlinig in Richtung ihrer Achse bzw. in axialer Richtung des Zylinders hin- und herbewegt werden und daher keine Kreuzköpfführung erfordern. Die Kolbenstange des äußeren (kurbelwellenferneren) Kolbens führt dabei durch eine gas¬ dicht abgedichtete Öffnung des inneren (kurbelwellennäheren) Kolbens und bewegt sich hin und her. Dadurch werden • der Bauraum und das Gewicht gering,
• das Schleppmoment mit Verringerung der Kolbenreibung klein und
• das O/V-Verhältnis des Arbeitsraums gering. Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verbrennungs oto- ren mit zwei Kolben pro Arbeitsraum werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 (A) und 1 (B) einen Einzylinder-Verbrennungsmotor in perspektivischer Sicht, Figur 2 (A) und 2 (B) zwei Schnitte durch einen Zweizylin¬ der-Verbrennungsmotor, und Figur 3 einen Zweizylindermotor mit Kurbelschleifenme¬ chanik als Hubmechanik im Schnitt. Bei diesen Motoren ist ein Hypozykloidengetriebe als Ge¬ radschubkurbelgetriebe verwendet.
Gemäß Figur 1(A) und 1(B) hat die Kurbelwelle 1 drei ne- beneinander liegende Kurbelzapfen, von denen die Kurbelachsen der beiden äußeren Kurbeln die gleiche Exzentrizität auß = r/2 zur Wellenachse haben, während bei der Kurbelachse der inneren Kurbel die Exzentrizität inn = r/2 zur Wellenachse bezüglich der Exzentrizität auß um 180° ± μ (0 < μ < 60°) um die Wellenachse verdreht ist.
Um die Kurbeln, die erste Exzenter bilden, sind zweite Exzenter 8 angeordnet, die in Ringlagern der Kolbenführung drehbar sind. Die Achse der Kurbel hat zur Drehachse des zu¬ gehörigen zweiten Exzenters die Exzentrizität r/2. Bei geradliniger Führung der Ringlager mit ihren Füh¬ rungsflächen 6, 7 im Gehäuse führen die Ringlager bei Drehung der Kurbelwelle geradlinige Oszillationsbewegungen aus.
An den Kurbelwangen 2 sind Zähne 4 angeordnet, die auf Teilabschnitten des Drehkreises der Kurbelwelle in Nuten 5 an den Ringlagern der Kolbenführung eingreifen und eine Führung in den (unbestimmten) 90°-Stellungen garantieren.
An den äußeren Ringlagern sind Kolbenstangen 13 des in¬ neren Kolbens 11 fest. An dem inneren Ringlager ist die Kol¬ benstange 15 des äußeren Kolbens 10 fest, die durch die Kol- benfläche des inneren Kolbens 11 führt und durch diese hin- und herfährt. Beim Drehen der Kurbelwelle bewegen sich der innere Kolben 11 und der äußere Kolben 10 aufeinander zu und voneinander weg.
Bei extremer Entfernung der beiden Kolben gibt der inne- re Kolben 11 die Einlaßschlitze 12 und der äußere Kolben 10 die Auslaßschlitze frei. Figuren 2(A) und 2(B) zeigen einen erfindungsgemäßen
Zweizylindermotor mit zwei Kolben pro Arbeitsraum im Schnitt.
Dabei sind die zweiten Exzenter 8, 9 mit Wälzlagern 20,
21 in den Ringlagern der Kolbenführung drehbar. Die Führungs- flächen 7 der Ringlager stützen sich über lineare Wälzlager
24, 25 am Gehäuse ab.
Anstelle der bei den Motoren nach Figur 1 und 2 vorgese¬ henen Hypozykloidengetriebe weist der in Figur 3 gezeigte Zweizylindermotor mit zwei Kolben pro Arbeitsraum eine Kur- belschleifenmechanik auf, bei der nicht wie bei dem Hypozy¬ kloidengetriebe schwingende Pleuel sondern geradlinig axial bewegte Stangen durch die Kolbenfläche hin- und herbewegt werden.
Zur Verringerung der Wärmeverluste über die Arbeitsraum- Wandungen wird in jüngster Zeit der Einsatz von Keramik vor¬ geschlagen, die nicht oder kaum gekühlt werden muß. Untersu¬ chungen aber haben gezeigt, daß sich bei diesen Motoren be¬ reits die einströmende Luft derartig stark aufheizt, daß sich ihre Dichte verringert und damit das Leistungsvermögen des Motors auf das Leistungsvermögen eines wesentlich hubrau - schwächeren und damit sparsameren, gekühlten Motors sinkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktmotor mit Gleichstrom¬ spülung sind nur der den Frischlufteinlaß öffnende (innere) Kolben 11 gekühlt und der den Abgasauslaß öffnende (äußere) Kolben 10 wird aus Keramik hergestellt.
Die in den Zylinder einströmende Frischluft wird damit nur an relativ kühlen Flächen vorbeigeführt (und behält damit ihre Dichte) und erreicht erst bei Abschließen des Arbeits¬ raums die heiße Fläche des Abgaskolbens. Diese durch das ab- strömende Abgas aufgeheizte Kolbenfläche wirkt während der Verdichtung wie ein Wärmetauscher und heizt die eingeschlos¬ sene Frischluft während der Verdichtung auf. Dies verbessert den Motorwirkungsgrad.

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungsmotor mit zwei Kolben pro Arbeitsraum, bei dem beide Kolben durch eine Kurbelwelle bewegt werden, insbe¬ sondere Zweitaktmotor mit Gleichstromspülung, wobei der kur¬ belwellenfernere, äußere Kolben (10) auf einer geradlinig in Richtung ihrer Achse hin- und herbewegten Stange (15) sitzt und diese Stange (15) durch eine gasdicht abgedichtete Öff¬ nung im kurbelwellennäheren, inneren Kolben (11) führt und in dieser Öffnung hin- und hergleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelmechanik minde¬ stens eines Kolbens ein Hypozykloidengetriebe oder ein Kur¬ belschleifengetriebe ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der als Zweitaktmotor mit Gleichstromspülung ausgebildet ist, wobei von den beiden Kolben eines Arbeitsraums der Kolben (11) am Frischlufteinlaß und/oder die von diesem Kolben überstrichenen Zylinderwandun¬ gen relativ gut gekühlt sind und damit relativ kühl sind, während der Kolben (10) am Abgasauslaß und/oder die von ihm überstrichenen Zylinderwandungen nicht oder nur gering ge¬ kühlt sind und damit relativ heiß sind.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei beide Kolben eines Arbeitsraums mittels einer Kurbelschleifenmecha¬ nik oder einer Hypozykloidenkurbel bewegbar und je zwei Zy¬ linder in einer Ebene entgegengesetzt zur Kurbel so angeord- net sind, daß jeweils die beiden äußeren Kolben und die bei¬ den inneren Kolben am selben Ringlager fest sind und somit die inneren Kolben beider Zylinder von derselben Kurbel und die äußeren Kolben beider Zylinder von derselben Kurbel be¬ wegt werden.
PCT/DE1993/001225 1992-12-19 1993-12-17 Verbrennungsmotor mit zwei kolben pro arbeitsraum, insbesondere zweitaktmotor mit gleichstromspülung WO1994015073A1 (de)

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