DE19651175C2

DE19651175C2 - Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder und regelbarer Rotation und Turbulenz der Ladeluft

Info

Publication number: DE19651175C2
Application number: DE19651175A
Authority: DE
Inventors: Otto C Pulch; Rudolf Pulch; Otto W Pulch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: DE19651175A1

Description

Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung des Kraft stoffes in den Zylinder und regelbarer Rotation und Turbulenz der Ladeluft.

Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotoren sind seit langer Zeit bekannt. Sie wurden überwiegend als Dieselmotoren betrieben (Patent 220 124 vom 27.09. 1907) aber auch als Benzinmotoren (DE-PS 906 633, DE-PS 43 35 515, Motor technische Zeitschrift 52, 1991). Bei Viertaktmotoren wird versucht, mit Hilfe teilweise abschaltbarer Drallkanäle zu der erforderlichen Turbulenz der Ladeluft für eine homogene Gemischbildung zu kommen. Bei Zweitaktmotoren besteht als genereller Nachteil die schwer überschaubare Vermischung von Frischgas und Abgas während des Ladungswechsels. Eine steuerbare Beeinflussung von Rotation und Turbulenz der Zylinderladung ist nicht bekannt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Vorteile des Zweitaktmotors in Bezug auf geringe Reibungsverluste und niedrige Drehzahl (kein Leerhub wie beim Viertakter) mit einer Ladeluftversorgung zu verbinden, die alle Voraussetzungen für die homogene Vermischung des einge spritzten Kraftstoffes und eine effiziente Verbrennung in allen Lastzuständen schafft.

Das Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 bis 15 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bewegung der Ladeluftmasse (Rotation und Turbulenz) beliebig veränderbar ist und der vom Lastzustand des Motors abhängigen Kraftstoffeinspritzung so an gepasst wird, daß eine homogene Kraftstoff-Luft-Mischung entsteht. Durch die Form des Brennraumes wird die Luftbewegung vor und während des Einspritz vorganges noch einmal verstärkt, damit die Luftgeschwindigkeit größer wird als die Kraftstoffgeschwindigkeit.

Erreicht wird dies mit einem Gegenkolben-Zweitaktmotor mit Gleichstrom spülung, bei dem die Ladeluft durch am Zylinderumfang gleichmässig verteilte Einlaßschlitze A an einer Seite des langen Zylinders (Fig. 1) eintritt.

Die Stege zwischen den Schlitzen haben eine unsymmetrische Form, wie in Fig. 1 gezeigt. Strömt die Luft in Richtung R (Fig. 1), dann ist der Widerstand in allen Schlitzen gering und die Rotationsgeschwindigkeit der Luft im Zylinder groß. Strömt die Luft in umgekehrter Rotationsrichtung L (Fig. 2), dann ist der Widerstand groß und bei den Abreißkanten E und F (Fig. 2) entstehen Turbulenzen. Bei radialer Einströmung treffen alle Luftstrahlen im Zylinder auf einander und erzeugen eine hohe Turbulenz ohne Vorzugsrichtung nach R oder L (Fig. 3). Der Richtungsbereich zwischen R und L ist stufenlos veränderbar, da die Luftversorgung durch ein Ladeluft-Gebläse erfolgt und der Lufteintritt in den Ringspalt G (Fig. 1, 2, 3) zwischen Gehäuse und Zylinder über ein Regel klappensystem H (Fig. 1, 2, 3) erfolgt. Wird das Druckverhältnis zwischen Ladeluft und Abgas verändert, dann ändert sich die Luftgeschwindigkeit und die Turbulenz sowie die Zylinderfüllung. Diese kann dadurch bis in den Bereich Ab gasrückhaltung abgesenkt werden.

Die Kolbenböden K aus isolierendem und die Wärmestrahlung reflektierendem Material sind so geformt, daß sich bei Annäherung zweier Kolben eine zentrale Wirbelkammer W bildet (Fig. 4). Der Durchmesser dieser Wirbelkammer ist kleiner als der Zylinderdurchmesser, wodurch sich die Drehzahl des Luftwirbels entsprechend erhöht. Im Bereich der oberen Totpunkte nähern sich die kreis ringförmigen Stirnflächen S der beiden Kolben (Fig. 4) auf wenige Zehntel milimeter, wirken dadurch als Quetschflächen und befördern die dazwischen befindliche Luft mit erhöhter Geschwindigkeit in die Wirbelkammer. Durch Schußkanäle J (Fig. 4) wird der Kraftstoff direkt in die Wirbelkammer gespritzt. Die am Ende der Schußkanäle austretenden und zerstäubenden Strahlspitzen werden durch die intensive Luftbewegung sofort und stetig weggetragen. Dadurch wird eine homogene Gemischbildung gefördert und die bei der Ver brennung durch Luftmangel entstehenden Schadstoffe Kohlenmonoxid, Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden vermindert. Mit der einsetzenden Ver brennung wird die Wirbelkammer zur alleinigen Brennkammer. Der hochge zogene Umfang der beiden Wirbelkammerhälften (Fig. 4) deckt im Bereich der höchsten Verbrennungstemperaturen die wärmeabführenden Zylinderwände weitgehend ab und sorgt für einen guten thermischen Wirkungsgrad.

Eine hohe Literleistung durch Erhöhung der Drehzahl des Gegenkolben-Zweitakt- Motors kann erreicht werden, wenn pro Zylinder zwei Einspritzdüsen verwendet werden, die nacheinander zum Einsatz kommen.

Beispiel: 3-Zylinder-Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit einer 6-Zylinder-Einspritz pumpe und 2 Einspritzdüsen pro Zylinder. Die maximale Motordrehzahl erhöht sich damit auf das Doppelte der Einspritzpumpen-Grenzdrehzahl. Durch die erhöhte Motordrehzahl werden die Kräfte der oszillierenden Massen größer und wirken dämpfend auf die Gaskräfte. Der Motor kann mit geringerem Gewicht hergestellt werden.

Die Verwendungsmöglichkeit mehrerer Düsen pro Zylinder kann auch dazu be nutzt werden, die Gesamteinspritzmenge aufzuteilen, um kürzere Einspritzzeiten zu erreichen. Einspritzbeginn und -dauer der einzelnen Teilmengen können variiert werden.

Die Zylinder bilden auf ihrer Einlaßseite mit dem Gehäuse einen Ringraum G (Fig. 1, 2, 3), in dem die Ladeluft stömungsstabilisiert und gleichmässig ver teilt wird. Für das gleichmässige Einströmen in die Zylinder sind die Einlaß schlitze A (Fig. 1, 2, 3) gleich groß und liegen in einer Ebene. Auf der Auslaß seite sind die Schlitze symmetrisch (Fig. 5), und die dazwischen liegenden Stege M sind wegen der Wärmebelastung flüssigkeitsgekühlt, haben eine strömungsgünstige Form und eine möglichst kleine Oberfläche. Zur Ver besserung der Wärmeabfuhr besitzt der Zylinder mehrere Leitrippen Q (Fig. 5), welche auch für die gleichmässige Durchströmung der Auslaßstege M sorgen.

Durch die gegenläufige Bewegung von je 2 Kolben in einem Zylinder entstehen in axialer Richtung nur geringe freie Reibungskräfte. Der Zylinder kann deswegen ausschließlich mit Hilfe der erforderlichen Dichtungselemente D (Fig. 6) fixiert werden. Diese übernehmen auch die Belastungen durch die Kolbenseitenkräfte und dienen zur Schwingungs- und Geräuschdämpfung. Kontakt-, Spalt- und Reibungskorrosion wird verhindert und Wärmedehnungen werden ausgeglichen. Damit können verschiedenartige Werkstoffe für Zylinder und Gehäuse problemlos verwendet werden.

Das Gehäuse zur Aufnahme der Zylinder und der beiden Kurbeltriebe besteht aus 2 Teilen. Die Trennfläche T fällt mit den Zylinderachsen C zusammen (Fig. 7). Der Kraftfluß zwischen den Kurbelwellen bleibt ungestört. Die so gestaltete Gehäuseteilung ermöglicht es auch, die Auslaßkanäle vollständig mit einer Isolierung N zu versehen (Fig. 5), um eine unnötige Erwärmung des Gehäuses durch die Abgase zu vermeiden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Motorzylinder mit dem die einströmende Luft in Richtung R steuernden Klappen system H, dem Ringspalt G, in dem die Luft strömungsstabilisiert und gleichmässig verteilt wird und die Einlaßschlitze A.
Der Luftwiderstand in den Einlaßschlitzen, die als Düsen wirken, ist gering und die Rotationsgeschwindigkeit der Ladeluftsäule im Zylinder ist groß.

Fig. 2 den gleichen Motorzylinder mit der in Richtung L einströmenden Luft. Die Einlaßschlitze A er zeugen einen hohen Luftwiderstand und an den Abreißkanten E und F beginnt Wirbelbildung. Die Rotationsgeschwindigkeit wird kleiner, die Gesamtverwirbelung intensiver.

Fig. 3 den gleichen Motorzylinder mit radial einströmender Luft. Der Luftwiderstand in den Einlaß schlitzen ist gering. Im Zylinder wird keine Rotation der Ladeluftsäule erzeugt, aber die Verwirbelung ist durch die aufeinandertreffenden Luftstrahlen stark.
Die Zustände von Fig. 1 über Fig. 2 bis zu Fig. 3 sind stufenlos veränderbar.

Fig. 4 einen Motorzylinder mit im OT-Bereich befindlichen Kolben. Die Kolbenböden K aus isolierendem und die Wärmestrahlung reflektierendem Material bilden eine zentrale Wirbelkammer W, die durch Schußkanäle J mit den (nicht gezeigten) Einspritzdüsen in Verbindung stehen. Die Rotationsge schwindigkeit der Luft ist im Fall der Fig. 1 größer als die Ge schwindigkeit des Kraftstoffstrahles. Durch den Umfang der Wirbel kammer W, die gleichzeitig Brennkammer ist, wird die Zylinderwand weitgehend abgeschirmt. Die Kreisringflächen S dienen als Quetsch flächen.

Fig. 5 den Auslaß-Bereich eines Motorzylinders mit den die Auslaßöffnungen bildenden, wassergekühlten Stegen. Ein Teilstrom des Kühlwassers wird durch die Leitrippen Q abgezweigt und durchfließt die Auspuffstege. Die Isolierschicht N vermindert den Wärmeübergang auf das Motorgehäuse.

Fig. 6 einen Schnitt durch die Zylinderbefestigung mittels der multifunktionalen Dichtelemente D. Eine metallische Be rührung zwischen Zylinder und Gehäuse existiert nicht. Die Dicht elemente D sind elastisch und nehmen unterschiedliche Wärme dehnungen auf.

Fig. 7 das zweigeteilte Motorgehäuse für die Aufnahme der Zylinder. Der Kraftfluß P-P zwischen den Kurbel wellenlagern wird duch keine Trennfuge unterbrochen. Im montierten Zustand fallen die Flächen D mit der Zylinderachse C zusammen.

Claims

1. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung des Kraft stoffes in den Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylinder einströmende Ladeluft in Richtung, Geschwindigkeit, Druck und Turbulenz geregelt und dem einge spritzten Kraftstoff zur optimalen Gemischbildung angepaßt wird.

2. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluft vor dem Erreichen der Eintrittsöff nungen in den Zylinder über ein Klappensystem zur Richtungsbeeinflussung und in einen Ringraum zur Strömungsstabilisierung und gleichmässigen Ver teilung fließt.

3. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen in den Zylinder so gestaltet sind, daß je nach Anströmrichtung der Ladeluft stufenlos der Eintritt in den Zy linder in einer Umfangsrichtung mit hoher Rotationsgeschwindigkeit, in radialer Richtung mit Wirbelbildung im Zylinder durch Aufeinandertreffen aller Luft strahlen, bis zum Eintritt in entgegengesetzter Umfangsrichtung mit Wirbelbil dung schon in den Eintrittsöffnungen geregelt wird.

4. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Änderung des Ladeluftdruckes die Rotationsgeschwindigkeit, die Turbulenz und die Füllung des Zylinders bis in den Bereich Abgasrückhaltung geregelt wird.

5. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kolbenbodenform bei Annäherung zweier Kolben eine zentrale Wirbelkammer entsteht, die durch Schußkanäle mit den Einspritzdüsen verbunden ist.

6. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Wirbelkammer einen kleineren Durchmesser als der Zylinder hat und dadurch in ihr eine intensivere Luftbe wegung entsteht.

7. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand der Wirbelkammer den Wärme übergang auf die Zylinderwand vermindert.

8. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vervielfachung der Motordrehzahl gegen über der Einspritzpumpendrehzahl pro Zylinder das gleiche Vielfache an Ein spritzventilen verwendet wird.

9. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamteinspritzmenge pro Zylinder und Ar beitstakt zur Variation in Teilmengen mit möglichen unterschiedlichen Teilmen gen-Einspritzzeitpunkten auf mehrere Einspritzdüsen aufgeteilt wird.

10. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen der Ladeluft in den Zylin der unsymmetrisch, gleich groß und in einer Ebene gleichmäßig verteilt sind.

11. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsgekühlten Stege zwischen den Ausströmöffnungen aus dem Zylinder strömungsgünstig geformt sind.

12. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Leitrippen im Kühlmittel fluß eine zusätzliche Wärmeabfuhr und eine gleichmäßige Kühlung aller Aus puffstege erreicht wird.

13. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente zwischen Gehäuse und Zylin der gleichzeitig die Aufgabe der Zylinderfixierung sowie der Schwingungs- und Geräuschdämpfung übernehmen, Kontakt-, Spalt- und Reibungskorrosion ver hindern und ungleiche Wärmedehnungen aufnehmen.

14. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorengehäuse keine Trennfuge im Kraft fluß zwischen den Kurbelwellen hat.

15. Gegenkolben-Zweitakt-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase nach Verlassen des Zylinders durch eine Isolierschicht vom Motorgehäuse vollständig getrennt sind.