DE102009058291A1

DE102009058291A1 - Gegenkolbenmotor und Verfahren zu seinem Betrieb

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Publication number: DE102009058291A1
Application number: DE200910058291
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Die Ziele vorliegender Erfindung sind
1 – das Schaffen eines Zweitakt-Gegenkolbenmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat,
2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, dessen Realisation den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und gleichzeitig kühlt.
Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass der Zweitakt-Gegenkolbenmotor enthält
– zwei doppelwandige Halbzylinder, zwischen denen ein doppelwandiger Ventilblock aufgestellt ist, in denen sich zwei Kolben mit Kolbenstangen gegeneinander hin- und her bewegen,
und dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Halbzylinder einen Führungsteil hat, der geradlinige Bewegung der Kolbenstange und ihr gasdichtes Unterbringen gewährleistet,
– die Einlassventile sind unterhalb der Kolben in den Halbzylindern angeordnet,
und der Motor auch folgendes beinhaltet:
– entweder ein/einige Paar Überströmkanäle,
– oder einen fast ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum, dafür bilden Leerräume der Halbzylinder und des Ventilblocks einen Einheitsraum,
– sowohl jeder Überströmkanal als auch der Wärmetauschraum stellen den Verbundraum zwischen dem Brennraum und dem/den Unterkolbenraum(en) dar,
– die um das Zentrum des Ventilblocks (an seiner Peripherie) angeordneten Ansaugventile, die den Brennraum mit/von den Überströmkanälen oder dem Wärmetauschraum verbinden/absperren,
– die in den Halbzylindern etwas oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung angeordneten Auslassventile/Auslassschlitze.
Zwecks der Verstärkung vom Unterdrück in Unterbodenräumen enthält der Motor die Sperrventile, jedes von denen den Unterkolbenraum mit/von dem Überströmkanal bzw. dem Wärmetauschraum verbindet/absperrt.
Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Zweitakt-Gegenkolbenmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases in den Unterkolbenräumen beim Abwärtsgehen der Kolben und dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechsel folgendermaßen ausgeführt wird:
– Einlass des Frischgases erfolgt nur in die Unterkolbenräume beim Aufwärtsgehen der Kolben,
- beim Vorverdichten des Frischgases wird es aus den Unterkolbenräumen in den Wärmetauschraum oder in die Überstromkanäle verdrängt,
– Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum oder den Überstromkanälen,
– Spülung erfolgt nach dem Auslass mit zwei linearen Strömen des vorverdichteten Frischgases von den Ansaugventilen zu den gegenüberliegenden Auslassventilen/Auslassschlitzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Die Idee der Benutzung des Vorverdichtens des Frischgases in der Kurbelkammer vom abwärts gehenden Kolben zwecks Erzeugung des Überdrucks ist für Zweitaktmotoren, darunter für Gegenkolbenmotoren, seit langem realisiert. Sie haben Kurbelkammerspülpumpe mit einem Überströmkanal – ein zu einer Seite des Arbeitszylinders verschobener, kompakter Verbundraum zwischen der Kurbelkammer und dem Einlassschlitz.
Der nächstliegende Stand der Technik sind Dokumente DE 1 942 007 und DE 10 352 243 ; ihnen betreffen alle Nachteile der Zweitaktmotoren.
Die Ziele vorliegender Erfindung sind

1 – das Schaffen eines Zweitakt-Gegenkolbenmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat,
2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, dessen Realisation den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und gleichzeitig kühlt.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass der Zweitakt-Gegenkolbenmotor enthält

– zwei doppelwandige Halbzylinder, zwischen denen ein doppelwandiger Ventilblock aufgestellt ist, in denen sich zwei Kolben mit Kolbenstangen gegeneinander hin- und her bewegen,

– die Einlassventile sind unterhalb der Kolben in den Halbzylindern angeordnet, und der Motor auch folgendes beinhaltet:
– entweder ein/einige Paar Überströmkanäle,
– oder einen (fast) ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum, dafür bilden Leerräume der Halbzylinder und des Ventilblocks einen Einheitsraum,
– sowohl jeder Überströmkanal als auch der Wärmetauschraum stellen den Verbundraum zwischen dem Brennraum und dem/den Unterkolbenraum(en) dar,
– die um das Zentrum des Ventilblocks (an seiner Peripherie) angeordneten Ansaugventile, die den Brennraum mit/von den Überströmkanälen oder dem Wärmetauschraum verbinden/absperren,
– die in den Halbzylindern etwas oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung angeordneten Auslassventile/Auslassschlitze.

Zwecks der Verstärkung vom Unterdrück in Unterbodenräumen, somit – der Vergrößerung vom Volumen eingesaugten Frischgases, enthält der Motor die Sperrventile, jedes von denen den Unterkolbenraum mit/von dem Überströmkanal bzw. dem Wärmetauschraum verbindet/absperrt.
Die Ausführungsvarianten eines lufteinsaugenden Ottomotors (Direkteinspritzung) bei selbsttätigen Ventilen mit den Überströmkanälen:
auf der – Ansaugung und Einlassung der Frischluft (Aufwärtsgehen),
auf der – Spülung (Abwärtsgehen).
Die Ausführungsvarianten dieses Motors mit dem Wärmetauschraum:
auf der – Ansaugung und Einlassung der Frischluft (Aufwärtsgehen),
auf der – Spülung (Abwärtsgehen),
auf der – Verfahrensschritte bei 1. Takt (Abwärtsgehen),
auf den – Verfahrensschritte bei 2. Takt (Aufwärtsgehen),
auf der – Verdrängung vorverdichteter Luft in den Wärmetauschraum.
Es sind folgende Kennzeichnungen für die Abbildungen angegeben:

An: – selbsttätiges Ansaugventil,
Aus: – selbsttätiges Auslassventil,
B: – Brennraum,
D: – Dichtung,
Ein: – selbsttätiges Einlassventil,
F: – Kerze,
K: – Kolben,
L: – Natriumfüllung,
M: – Wärmetauschraum,
S: – selbsttätiges Sperrventil,
T: – Kolbenstange,
U: – Unterkolbenraum,
UK: – Überstromkanal,
V: – Einspritzdüse,
VB: – Ventilblock,
W: – Wärmetauscher,
Z: – Halbzylinder.

Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Zweitakt-Gegenkolbenmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases (der Frischluft oder des Frischgemisches) in den Unterkolbenräumen U beim Abwärtsgehen der Kolben K [bei geschlossenen Einlassventilen Ein]
und dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechsel folgendermaßen ausgeführt wird:

– Einlass des Frischgases erfolgt nur in die Unterkolbenräume U [durch Einlassventile Ein bei geschlossenen Sperrventilen S] – beim Aufwärtsgehen der Kolben K,
– beim Vorverdichten des Frischgases wird es aus den Unterkolbenräumen U in den Wärmetauschraum M oder in die Überstromkanäle UK [durch Sperrventile S] verdrängt,
– Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum B erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum M oder den Überstromkanälen UK [durch Ansaugventile An],
– Spülung erfolgt nach dem Auslass mit zwei linearen Strömen des (in den Unterkolbenräumen und im Wärmetauschraum) vorverdichteten Frischgases von den Ansaugventilen An zu den gegenüberliegenden Auslassventilen/Auslassschlitzen Aus.

Die Gaswechselräume: Brennraum B, Wärmetauschraum M oder Überstromkanäle UK und Unterkolbenräume U kontaktieren miteinander ohne Zwischenraum – durch Ansaug- An und Sperrventile S. Zwecks effektiven Wärmeaustausches im Wärmetauschraum M

– entweder mindestens ein zellenartiger Wärmetauscher W (aus Al, Cu) dort, z. B. zwischen dem eigentlich Halbzylinder Z und seiner Buchse C bei einer Übermaßpassung, untergebracht ist, so dass er fast ganzes Volumen des Wärmetauschraums M ausfüllt,
– oder Innenraum des Wärmetauschraums M mindestens einen zellenartigen Wärmetauscher W darstellt, der einstückig mit dem eigentlich Halbzylinder Z oder/und dem Ventilblock VB ausgeführt ist.

Der Wärmeaustausch geschieht zwischen den Zellenwänden und dazwischen durchströmendem vorverdichtetem Gas. Im Wärmetauschraum M/Wärmetauscher W vermischen sich das nach dem Ansaugen übrig gebliebene Gas und das vorverdichtete Frischgas aus den Unterkolbenräumen U; diese Gase kühlen die Brennraumwände des Ventilblocks VB und der Halbzylinder Z intensiv, dabei werden sie Erwärmung und zusätzlicher (doppelter) Vorverdichtung ausgesetzt; bei gemischeinsaugendem Motor findet zusätzliche Vorverdichtung statt wegen der Verdampfung beinhaltenden Kraftstoffs. Das Volumen des Wärmetauschraums M soll erforderlichen höchsten Liefergrad und ausreichende Kühlleistung gewährleisten, und die Form der Zellen ist solche, dass dank dem Umlaufstrom vorverdichteter Gase maximaler Wärmeaustausch erlangt wird.
Somit wird die vom Arbeitsraum abzuführende Wärme, die als unvermeidliches Böses (auf Grund derer bis 33% zugeführter Energie verloren geht) aufgenommen wird, vollständig ausgenutzt, so dass Bedarf an der Kühlung und der Aufladung entfällt. Aus diesem Grund werden das Kühlsystem und das Aufladungssystem aus dem Motorkonzept eliminiert. Die transiatorische Bewegung ohne Schwenkungen der Kolbenstange gewährleisten, beispielsweise, die Triebwerke mit der Nocken- oder Exzenterwelle und mit dem Kolbenstange-Kreuzkopf-Pleuelstange-Aufbau. Ihr gasdichtes Unterbringen durch Dichtung D ermöglicht jeden erdenklich hohen Überdruck im Unterkolbenraum U.
Das Verfahren für gemischeinsaugenden Ottomotor mit dem Wärmetauschraum M erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
1. TAKT: Arbeiten, erste Hälfte der Spülung, Vorverdichtung
Arbeiten:

– oberhalb der Kolben K: Arbeiten des Brenngases;
– unterhalb der Kolben K: Vorverdichtung des Frischgemisches, weiterhin – Verdrängung vorverdichteten Frischgemisches in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Einströmung des vorverdichteten Frischgemisches aus Unterkolbenraum U mit Vermischung mit vorverdichtetem Gemischrest, Erwärmung mit Verdichten gebildeten Gemisches;

Auslass, danach erste Hälfte der Spülung:

– oberhalb der Kolben K: Auslass verbrannten Gases, weiterhin – Spülung;
– unterhalb der Kolben K: Vorverdichtung des Frischgemisches, Verdrängung des vorverdichteten Frischgemisches in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung des aus Unterkolbenräumen U einströmenden vorverdichteten Gemisches zum Brennraum B.

2. TAKT: zweite Hälfte der Spülung, Ansaugung, Verdichtung, Einlass des Frischgemisches
zweite Hälfte der Spülung, Ansaugung, Einlass des Frischgemisches:

– oberhalb der Kolben K: Spülung, dann mit dem Schließen der Auslassventile Aus – Ansaugung des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches aus Wärmetauschraum M;
– unterhalb der Kolben K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Auszug des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Frischgemisches in den Brennraum B.

Verdichtung und Einlass des Frischgemisches:

– oberhalb der Kolben K: Verdichtung vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches; kurz vor OT: Zündung von Kerzen F;
– unterhalb der Kolben K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des vorverdichteten Gemischrestes.

Das Verfahren für lufteinsaugende Otto-/Dieselmotoren mit dem Wärmetauschraum M erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
1. TAKT: Arbeiten, Auslass, erste Hälfte der Spülung, Vorverdichtung
Arbeiten:

– oberhalb der Kolben K: Arbeiten des Brenngases;
– unterhalb der Kolben K: Vorverdichtung der Frischluft, weiterhin – Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Einströmung der vorverdichteten Frischluft aus Unterkolbenräumen U mit Vermischung mit vorverdichtetem Luftrest, Erwärmung mit Verdichtung der Luft;

Auslass, danach erste Hälfte der Spülung:

– oberhalb der Kolben K: Auslass verbrannten Gases;
– unterhalb der Kolben K: Vorverdichtung der Frischluft, Verdrängung der vorverdichteten Frischluft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung der aus Unterkolbenräumen U einströmenden vorverdichteten Luft zum Brennraum B.

2. TAKT: zweite Hälfte der Spülung, Ansaugung, Verdichtung, Einlass der Frischluft
zweite Hälfte der Spülung, Ansaugung, Einlass des Frischgemisches:

– oberhalb der Kolben K: Spülung, danach Ansaugung der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft aus Wärmetauschraum M;
– unterhalb der Kolben K: Einlass der Frischluft;
– im Wärmetauschraum M: Auszug der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B.

Verdichtung und Einlass der Frischluft:

– oberhalb der Kolben K: Verdichtung der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft; kurz vor OT: beim Ottomotor – Zündung von Kerze F, beim Dieselmotor – Einspritzung des Diesels von Düse V;
– unterhalb der Kolben K: Einlass der Frischluft;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des vorverdichteten Luftrestes.

Dank starker Vorverdichtung des/der anzusaugenden Gemisches/Luft im Unterkolben- U und dann im Wärmetauschraum M wird ein sehr hoher Befüllungsgrad/Liefergrad erzielt – das erhöht Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad.
Auch dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases wird das zu verbrennende Gemisch im Brennraum B hochhomogenisiert das soll spezifischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen verkleinern.
Das Eliminieren des Kühlsystems und des Aufladungssystems verringert baulichen Aufwand, vereinfacht und verbilligt den Motor bedeutend sowie ermöglicht weitgehende Wartungsfreiheit.
Es soll stark verringerte Störanfälligkeit erreicht werden:

– guter Kaltstart – dank sicherer Verdampfung vom Kraftstoff im Wärmetauschraum M;
– keine Frostschäden und keine Schlagempfindlichkeit – wegen dem fehlenden Kühlsystem; das begünstigt den Einsatz des Motors für den Betrieb bei Extrembedienungen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1942007 [0003]
DE 10352243 [0003]

Claims

Zweitakt-Gegenkolbenmotor enthält – zwei doppelwandige Halbzylinder, zwischen denen ein doppelwandiger Ventilblock aufgestellt ist, in denen sich zwei Kolben mit Kolbenstangen gegeneinander hin- und her bewegen, und dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbzylinder einen Führungsteil hat, der geradlinige Bewegung der Kolbenstange und ihr gasdichtes Unterbringen gewährleistet, – die Einlassventile sind unterhalb der Kolben in den Halbzylindern angeordnet, und der Motor auch folgendes beinhaltet: – entweder ein/einige Paar Überströmkanäle, – oder einen (fast) ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum, dafür bilden Leerräume der Halbzylinder und des Ventilblocks einen Einheitsraum, – sowohl jeder Überströmkanal als auch der Wärmetauschraum stellen den Verbundraum zwischen dem Brennraum und dem/den Unterkolbenraum(en) dar, – die um das Zentrum des Ventilblocks (an seiner Peripherie) angeordneten Ansaugventile, die den Brennraum mit/von den Überströmkanälen oder dem Wärmetauschraum verbinden/absperren, – die in den Halbzylindern etwas oberhalb der Kolbenböden bei UT-Stellung angeordneten Auslassventile/Auslassschlitze.
Zweitakt-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Motor die Sperrventile enthält, jedes von denen den Unterkolbenraum mit/von dem Überströmkanal bzw. dem Wärmetauschraum verbindet/absperrt.
Zweitakt-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher im Wärmetauschraum untergebracht ist, z. B. zwischen dem eigentlich Halbzylinder und seiner Buchse, so dass er fast sein ganzes Volumen ausfüllt.
Zweitakt-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Innenraum des Wärmetauschraums mindestens einen zellenartigen Wärmetauscher darstellt, der einstückig mit dem eigentlich Halbzylinder oder/und dem Ventilblock ausgeführt ist.
Das Verfahren zum Betrieb des Zweitakt-Gegenkolbenmotors nach einem der Ansprüche 1–4 beinhaltet Vorverdichten des Frischgases in den Unterkolbenräumen beim Abwärtsgehen der Kolben und dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechsel folgendermaßen ausgeführt wird: – Einlass des Frischgases erfolgt nur in die Unterkolbenräume beim Aufwärtsgehen der Kolben, – beim Vorverdichten des Frischgases wird es aus den Unterkolbenräumen in den Wärmetauschraum oder in die Überstromkanäle verdrängt, – Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum oder den Überstromkanälen, – Spülung erfolgt nach dem Auslass mit zwei linearen Strömen des (in den Unterkolbenräumen und im Wärmetauschraum) vorverdichteten Frischgases von den Ansaugventilen zu den gegenüberliegenden Auslassventilen/Auslassschlitzen.