WO2011000342A2 - Inline-doppelkolbenmotor - Google Patents

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WO2011000342A2
WO2011000342A2 PCT/DE2010/000660 DE2010000660W WO2011000342A2 WO 2011000342 A2 WO2011000342 A2 WO 2011000342A2 DE 2010000660 W DE2010000660 W DE 2010000660W WO 2011000342 A2 WO2011000342 A2 WO 2011000342A2
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Andreas Ross
Helge Goldenbaum
Lan Schoke
Dirk Tschapke
Arno Pohl
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Fachhochschule Lübeck
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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
    • F02B75/30—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with one working piston sliding inside another
    • 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
    • F01B7/20—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with two or more pistons reciprocating one within another, e.g. one piston forming cylinder of the other

Definitions

  • the invention relates to a four-stroke internal combustion engine, designed as
  • Double-piston engine according to the inline principle, in which two pistons sliding into one another move in one cylinder.
  • the object of the invention is to provide an efficient internal combustion engine with a particularly simple and efficient construction.
  • the invention is based on the idea of exploiting the residual pressure, as it can be represented in a p-V diagram, by making available a larger displacement volume during the power stroke.
  • Fig. 1 is a schematic section through the double piston during the four
  • Fig. 2 shows the p-V diagram of a typical gasoline engine with residual volume fraction according to the prior art.
  • the entire working piston consists of two nested pistons, one (outer) piston 1 and the other (inner) piston 3.
  • Fig. Ia sucks the inner small piston 3 through the opening in the outer piston 1, the fuel Air mixture, while the outer piston 1 remains at top dead center.
  • Fig. Ib During the working cycle, Fig. Ic, the upper piston 1 is unlocked by the preferably ring-shaped locking element 2, so that the piston pair 1, 3 with the entire, so enlarged piston area for
  • the entire piston surface can be adjusted in this device so that the residual pressure when opening the exhaust valve can be kept much lower than the known power stroke of a four-stroke gasoline engine.
  • simulation method according to the model of the Gleichraumvones can be shown that the device can be optimized so far that when opening the exhaust valve, the residual pressure in the cylinder chamber corresponds to the ambient pressure, which increases the energy yield of the cycle.
  • the energy gain is shown in Fig. 2, in the diagram area 8 and resulted in
  • the power transmission takes place with known means such as connecting rod 4, crank 5 and crank pin. 7
  • Simulation methods are shown that is expected to maintain a constant friction and uneven running characteristics of the engine are damped by the invention.
  • the simulation model is based on the consideration that the sum of the

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Doppelkolbenmotor mit zwei in einem Verbrennungsraum gegeneinander verschieblich angeordneten Kolben (1, 3), dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des einen Kolben (1) in etwa dem Innendurchmesser des Verbrennungsraums entspricht, wobei der eine Kolben (1) im Verbrennungsraum verschieblich angeordnet ist und auf seiner dem Verbrennungsraum abgewandten Seite eine Aufnahme für den anderen Kolben (3) aufweist, der andere Kolben (3) in der Aufnahme des einen Kolben (1) verschieblich angeordnet und über eine Pleuelstange (4) mit einer Welle verbunden ist, wobei der eine Kolben (1) auf seiner dem anderen Kolben (3) abgewandeten Stirnseite eine die Aufnahme mit dem Verbrennungsraum oberhalb des einen Kolbens (1) verbindende, vom anderen Kolben (3) verschließbare Öffnung aufweist.

Description

Inline-Doppelkolbenmotor
Die Erfindung betrifft einen Viertakt- Verbrennungskraftmotor, ausgeführt als
Doppelkolbenmotor nach dem Inline-Prinzip, bei dem sich in einem Arbeitszylinder zwei ineinander gleitende Kolben bewegen.
Verbrennungskraftmaschinen sind immer noch Forschungs- und Entwicklungsgegenstand trotz ihrer langen Bestandszeit und weitestgehend ausgereizten Konstruktionen.
Im Funktionsablauf des herkömmlichen Viertakt-Motors wird der Restdruck beim Arbeitstakt nicht ausgenutzt, sondern geht, auch bei sehr aufwändig gestalteten Abgassystemen über dieses verloren. Dieses Problem besteht nicht nur bei Motoren älterer Bauart, sondern ist auch bei technologisch hochentwickelten Verbrennungskraftmaschinen präsent. Die physikalischen Zusammenhänge sind im sogenannten p-V-Diagramm ersichtlich - siehe Fig. 2 - das auch den Stand der Technik für thermische Kreisprozesse repräsentiert.
Bei einem Viertakt- Verbrennungsmotor (Hubkolbenmotor) arbeitet der Kreisprozess im bekannten Viererrhythmus„Ansaugen",„Verdichten",„Arbeiten" und„Ausstoßen". Bedingt durch die konstante Oberfläche des Arbeitskolbens und das erforderliche Öffnen des
Auslassventils vor dem unteren Totpunkt des Kolbenhubes im Arbeitstakt verlassen noch unter Druck stehende Arbeitsgase ungenutzt für die Drehmomenterzeugung den
Zylinderraum. Einen Ausweg, dieses zu umgehen, bilden verschiedene als Turbolader bekannte Verfahren.
Zum Stand der Technik wird die Offenlegungsschrift DE 40 06 012 Al zur Ausnutzung des Restdruckvolumens genannt, die durch Gegenkolben eine weitestgehende
Verdichtungskonstanz mit anderen positiven Nebeneffekten erreicht, indem zwei Kolben mit unterschiedlichem Kolbendurchmesser im gleichen Verbrennungsraum mit jeweils einem eigenen Kurbelantrieb arbeiten und die durch ein Getriebe miteinander verbunden sind. Die Offenlegungsschrift DE 27 09 939 beschreibt einen Doppelkolbenmotor mit zwei ineinander gleitende Kolben, bei dem im Arbeitstakt der Druck im Verdichtungsraum die Kolben gegenläufig bewegt, das Drehmoment aber in gleicher Richtung auf die Kurbelwelle wirkt. Die beiden Kolben des Doppelkolbenmotors bewegen sich also streng synchron gegenläufig.
Gemeinsam nachteilig an beiden Offenbarungen ist der hohe konstruktive mechanische Aufwand für eine bessere Nutzung des Arbeitsvolumens durch zusätzliche Kurbelwellen, Exzenter und Laufbuchsen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen effizienten Verbrennungsmotor mit besonders einfachem und effizientem Aufbau zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Restdruck, so wie er in einem p-V-Diagramm dargestellt werden kann, auszunutzen, indem man ein größeres Hubvolumen während des Arbeitstaktes zur Verfügung stellt.
Die Erfindung wird anhand der beigefugten Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den Doppelkolben während der vier
Funktionstakte,
Fig. 2 das p-V-Diagramm eines typischen Ottomotors mit Restvolumenanteil nach dem Stand der Technik.
Der gesamte Arbeitskolben besteht aus zwei ineinander liegenden Kolben, dem einen (äußeren) Kolben 1 und dem andere (inneren) Kolben 3. Im Ansaugtakt, Fig. Ia, saugt der innere, kleine Kolben 3 durch die Öffnung im äußeren Kolben 1 das Kraftstoff-Luftgemisch an, während der äußere Kolben 1 im oberen Totpunkt verharrt. Die Verdichtung, Fig. Ib, erfolgt ebenfalls durch den kleinen Kolben 3. Beim Arbeitstakt, Fig. Ic, wird der obere Kolben 1 durch das bevorzugt ringförmig ausgebildete Arretierungselement 2 entriegelt, sodass das Kolbenpaar 1, 3 mit der gesamten, also vergrößerten Kolbenfläche zur
Umwandlung von Druck- auf Bewegungsenergie genutzt werden kann. Beim Arbeitsgang „Ausstoßen", Fig. Id, wird der äußere Kolben 1 durch den inneren Kolben 3 wieder in seine ursprüngliche Ausgangslage gehoben, sodass das Arretierungselement 2 bevorzugt von einer am äußeren Kolben vorgesehenen Ausnehmung 6 endet.
Die gesamte Kolbenfläche kann bei dieser Vorrichtung so angepasst werden, dass der Restdruck beim Öffnen des Auslassventils wesentlich geringer als beim bekannten Arbeitstakt eines Viertakt-Ottomotors gehalten werden kann. Durch Simulationsverfahren nach dem Modell des Gleichraumprozesses kann gezeigt werden, dass die Vorrichtung soweit optimiert werden kann, dass beim Öffnen des Auslassventils der Restdruck im Zylinderraum dem Umgebungsdruck entspricht, was die Energieausbeute des Kreisprozesses steigert. Der Energiezugewinn ist in Fig. 2, im Diagrammbereich 8 dargestellt und ergab bei
Vergleichsrechnungen mit einem Standardhubkolbenmotor Wirkungsgradverbesserungen von 0,14.
Die Kräfteübertragung erfolgt mit bekannten Mitteln wie Pleuelstange 4, Kurbelkröpfung 5 und Kurbelbolzen 7.
Entgegen der sich einstellenden Vermutung aus den grafischen Darstellungen der
Arbeitszyklen eine Erhöhung der Reibungsverluste abzuleiten, kann durch
Simulationsverfahren gezeigt werden, dass mit einer Reibungskonstanthaltung zu rechnen ist und ungleichmäßige Laufeigenschaften des Motors durch die Erfindung gedämpft werden. Das Simulationsmodell beruht auf der Überlegung, dass sich die Summe der
Relativbewegungen nicht erhöht. Sie besteht entweder zwischen dem Innenkolben 3 und dem Außenkolben 1 , oder zwischen dem Außenkolben 1 und dem Motorzylinder. Daraus ergibt sich zwangsläufig der Vorteil, dass sich durch die verteilten Bewegungen der Verschleiß auf unterschiedliche Teile aufteilt. Zusammengefasst können die Vorteile der Erfindung in einem höheren thermischen
Wirkungsgrad des Motors, in weniger zusätzlichen Teilen für einen Doppelkolbenmotor als bei bisherigen Lösungen, darin, dass die herkömmlich bekannten Verfahren zur
Leistungssteigerung bei Verbrennungskraftmotoren weiterhin genutzt werden können und in siner Erhöhung der Lebensdauer an den Kolbenringen und Laufflächen durch Aufteilung der Reibung auf den Innen -und Außenkolben liegen.
Bezugszeichenliste:
1 Außenkolben
2 Arretierungselement
3 Innenkolben
4 Pleuelstange
5 Kurbelkröpfung
6 Ausnehmung
7 Kolbenbolzen
8 Energiefläche

Claims

ANSPRÜCHE
1. Doppelkolbenmotor mit zwei in einem Verbrennungsraum gegeneinander
verschieblich angeordneten Kolben (1, 3), dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des einen Kolben (1) in etwa dem Innendurchmesser des Verbrennungsraums entspricht, wobei der eine Kolben (1) im Verbrennungsraum verschieblich angeordnet ist und auf seiner dem Verbrennungsraum abgewandten Seite eine Aufnahme für den anderen Kolben (3) aufweist, der andere Kolben (3) in der Aufnahme des einen Kolben (1) verschieblich angeordnet und über eine Pleuelstange (4) mit einer Welle verbunden ist, wobei der eine Kolben (1) auf seiner dem anderen Kolben (3) abgewandeten Stirnseite eine die Aufnahme mit dem Verbrennungsraum oberhalb des einen Kolbens (1) verbindende, vom anderen Kolben (3) verschließbare Öffnung aufweist.
2. Doppelkolbenmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein auf den einen Kolben (1) wirkendes, die Position des einen Kolben (1) im Verbrennungsraum arretierendes Arretierungselement (2).
3. Doppelkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf der Außenseite des einen Kolben (1) angeordnete Ausnehmung (6) zur Aufnahme eines an der Innenwandung des Verbrennungsraums angeordneten (2) Arretierungselements (2).
4. Doppelkolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arretierungselement (2) ein den Zwischenraum zwischen dem ersten Kolben (1) und der Innenwandung des Verbrennungsraums abdichtendes Dichtelement ist.
5. Doppelkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der andere Kolben (3) auf seiner der Öffnung des einen Kolben (1) zugewandten Stirnseite konisch und die Öffnung hierzu komplementär ausgebildet ist.
6. Doppelkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der eine und der andere Kolben (1, 3) bei Verschluss der Öffnung des einen Kolben (1) durch den anderen Kolben (3) eine ebene Oberfläche ausbilden.
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