DE10344737B3

DE10344737B3 - Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors

Info

Publication number: DE10344737B3
Application number: DE10344737A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Laukoetter; Gerhard Heinz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: WO2005031140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors mit mindestens zwei Kolben, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen eine Brennkammer bilden. Damit der Motor sehr hohe Temperaturen zulässt, unter Sicherstellung der Lauf- und Schmiereigenschaften der Kolben, ist der einzelne Kolben (2) und (3) aus einer Zusammensetzung, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, gefertigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors mit mindestens zwei Kolben, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen eine Brennkammer bilden.

Der Gegenkolbenmotor ist ein längsgespülter Zweitaktmotor bei dem die Gase beim Gaswechsel in Richtung der Zylinderachse strömen. Hierbei arbeiten in einem Zylinder jeweils zwei Kolben in entgegen gesetzter Richtung. Während des Kompressionstaktes bewegen sich die Kolben aufeinander zu, wobei während des Arbeitstaktes sich die Kolben von einander weg bewegen. Die Böden beider Kolben bilden zusammen mit einem Teil der Zylinderwand den Brennraum des Motors. Die Zusammenführung der Verbrennungsluft und der Gase, wie auch die Abführung der Abgase wird durch von den Kolben freigegebenen Schlitzreihen bewerkstelligt.

So ist beispielsweise aus der DE 198 21 074 A1 ein Gegenkolbenmotor bekannt, bei dem die Kolben mit Spülkanälen versehen sind, so dass zur Kühlung und bzw. Wärmeabfuhr Ölflüssigkeit durch die Kolben strömen kann, um auf diese Weise eine konstante Wärmeabfuhr am Kolben zu ermöglichen. Trotz dieser Kühlung weist ein derartiger Kolben für einen Gegenkolbenmotor immer noch Nachteile auf, weil insbesondere der Kolben nach wie vor auf Grund der extrem hohen Verbrennungstemperaturen in dem Brennraum Schaden nehmen kann, und ein Fressen des Kolbens in der Laufbuchse zur Folge hat. Daher ist insbesondere die Lebensdauer eines derartigen Gegenkolbenmotors beschränkt.

Hieraus ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors derart weiter zu bilden, dessen Kolben sehr hohe Temperaturen zulassen, wobei die Lauf- und Schmiereigenschaften der Kolben gesichert sein soll. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen Zweitakt-Gegenkolbenmotor bereit zu stellen, der in Bezug auf die Treibstoffqualität anspruchslos ist und sich durch einen niedrigen spezifischen Verbrauch auszeichnet.

Diese Aufgabe wird einerseits dadurch gelöst, dass der einzelne Kolben aus einer Zusammensetzung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. Der Kalben als solches weist dabei eine schwammartige offenporige Kohlenstoffstruktur auf, die von Kanälen durchsetzt ist. Dabei sind die offenporigen Kohlenstoffstrukturen sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt. Der Leichtmetallanteil beträgt dabei etwa 60%. Zur Herstellung des Kolbens wird dabei unter hohem Druck in die Kohlenstoff-/Grafitstruktur das die Stützmatrix bildende Leichtmetall eingepresst.

Der erfindungsgemäße Leichtmetallkohlenstoffkolben weist im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 30% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe auswirkt.

Durch das reduzierte Eigengewicht werden nicht nur die oszillierenden Massen verringert, sondern auch die Eigendynamik und Sparsamkeit des Motors verbessert. In eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/ Grafitstruktur, welche mit Belastungskräfte aufnehmenden Kanälen durchzogen ist, wird unter hohem Druck flüssiges Leichtmetall eingepresst. Dieses Leichtmetall bildet eine tragende und kräfteverteilende Struktur, welche es ermöglicht, aufgrund der höheren Festigkeit von Leichtmetall und des geringeren spezifischen Gewichtes von Grafit, einen hochfesten selbstschmierenden Kolben für Verbrennungskraftmaschinen herzustellen. Somit wird zugleich ein Fressen des Kolbens vermieden, da seine hohe Temperaturbeständigkeit extrem hohen thermischen Belastungen standhalten kann.

In Weiterbildung der Erfindung sind die den Brennraum bildenden Kolbenböden muldenförmig ausgebildet. Dabei erfolgt die Verbrennung innerhalb der beiden den Brennraum bildenden aufeinanderliegenden Kolbenmulden. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird während der Gleichlaufphase der sich in der Laufbuchse bewegenden Kolben der Treibstoff auf der muldenförmigen Kolbenoberfläche verdampft und vermischt sich gleichzeitig durch einen schnelllaufenden Luftwirbel mit der verdichteten Verbrennungsluft. Dabei zündet das Treibstoffluftgemisch am Ende der Gleichlaufphase. Die Kompressionsdrücke liegen dabei im Bereich von 1:12 bis 1:14. Die Treibstoffeinspritzung erfolgt mittels einer Zapfendüse, wobei der Einspritzdruck zwischen 60 und 180 bar liegt.

Aufgrund der Ausbildung des Kolbens wird erreicht, dass der Gegenkolbenmotor mit einem neuartigen Brennverfahren betrieben werden kann. Denn durch den Einsatz von Kohlenstoffkolben, die eine Stützmatrix aus Leichtmetall besitzen und eine hohe Wärmespeicherfähigkeit haben. wird der Treibstoff während der Gleichlaufphase der Kolben auf der nicht gekühlten Kolbenoberfläche, wie es Stand der Technik ist, mit einer extrem hohen Temperatur beaufschlagt, so dass er verdampft und wobei er gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel vollkommen homogen mit der Verbrennungsluft vermischt wird. Das in den Kolbenmulden befindliche Restgas dient dabei zur Temperaturerhöhung und gleichzeitig zur Schadstoffminderung. Eine separate Abgasführung ist daher nicht erforderlich.

Das Treibstoffluftgemisch zündet gegen Ende der Gleichlaufphase explosionsartig. Es handelt sich somit um einen kompressionsgezündeten Ottomotor. Die Kompressionsdrücke liegen hierbei im Bereich einer 1:12 bis 1:14-Verdichtung, welches einem Kompressionsdruck von kleiner als 30 bar entspricht. Der Verbrennungsspitzendruck liegt dabei über 150 bar. Zusätzlich kann für die Anwendung bei Kraftwärmekopplung bei erhöhtem Wärmebedarf vergaster Treibstoff über die Spülluft zugeführt werden. Dieser verbrennt dann zum Teil innerhalb des Brennraumes. Das überspülte Treibstoffluftgemisch zündet durch die Abgastemperatur in der dem Motor optional nachgeschalteten Nachbrennkammer. Diese Nachbrennkammer wird gleichzeitig als Abgasnachbehandlungsanlage genutzt. In ihr werden durch Temperaturerhöhung des Abgases die noch anfallenden restlichen Treibstoffpartikel sowie Rußpartikel verbrannt.

Im Motor findet die Verbrennung innerhalb der beiden Kolbenmulden statt. Eine Berührung des Brenngases mit der Zylinderaußenwand wird dabei weitgehend vermieden, so dass der Temperaturübergang zur Laufbuchse unterbunden ist. Da die Verbrennung nicht wie im Dieselverfahren relativ langsam innerhalb von mehreren Grad Kurbelwellenwinkel, sondern explosionsartig bei gleichzeitiger Zündung aller Treibstoffmoleküle erfolgt, können höhere Drehzahlen erreicht werden. Durch die schnelle explosive Verbrennung im Brennraum und gute Durchmischung sowie Verdampfung des Kraftstoffes wird Rußbildung vermieden, es ist keine Vorrichtung zum Einstellen des Kompressionsdruckes daher nötig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden einzigen Figur näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in der teilweise geschnittenen Seitenansicht in schematischer Darstellung einen Gegenkolbenmotor 1. In der dargestellten Situation nehmen die Kolben 2 und 3 in einer Laufbuchse 4 die Lage ein, dass die beiden Kolbenböden 5 und 6 in Angrenzung kommen, wobei die muldenförmig ausgebildeten Kolbenböden 5 und 6 den nach Art einer Linse geformten Brennraum 7 bilden. In dem Brennraum 7 ist bereits der kurz vorher nicht näher dargestellte Treibstoff mittels einer Zapfendüse 8 eingespritzt worden. Der in diesem Raum befindliche Treibstoff zündet etwa am Ende der Gleichlaufphase, wobei insbesondere der Kolben 2, der sich am oberen Totpunkt befindet, sich in Pfeilrichtung 5 bewegt, und der Kolben 3 um einen bestimmten Betrag nacheilt. Die Gleichlaufphase ist dann beendet, wenn der Kolben 3 seinen oberen Totpunkt erreicht hat.
Wie schon gesagt, besteht der Gegenkolbenmotor 1 nach Art eines Zweitaktmotors aus mindestens zwei Kolben 2 und 3, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen 9 und 10 mittels der Laufbuchse 4 gebildet werden. Dabei besteht der einzelne Kolben 2 und 3 aus einer Zusammensetzung, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. Nicht näher dargestellt ist hierbei, dass der Kolben 2, 3 eine schwammartige offenporige Kohlenstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist. Die offenporige Kohlenstruktur sowie die durchsetzenden Kanäle sind mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt. Dabei nimmt der Leichtmetallanteil etwa bis zu 60% ein. Das die Stützmatrix bildende Leichtmetall wird unter hohem Druck in die Kohlenstoff/Grafitstruktur eingepresst.
Der für das Brennverfahren wesentliche Teil bildet die den Brennraum 7 bildenden Kolbenböden 5 und 6, die jeweils muldenförmig ausgebildet sind, so dass sich ein quasi linsenförmiger Brennraum 7 in der Gleichlaufphase, wie oben beschrieben, bildet. In der Gleichlaufphase der Kolben 2 und 3 verdampft der Treibstoff auf den Kolbenböden 5 und 6, wobei gleichzeitig durch einen schnelllaufenden Luftwirbel sich der verdampfende Treibstoff vollkommen homogen mit der Verbrennungsluft vermischt, so dass am Ende der Gleichlaufphase die explosionsartige Zündung erfolgt, die insbesondere den Arbeitstakt auslöst.
Dabei werden die Kolbenoberflächen 5.2 und 6.2 nicht gekühlt, so dass sich extrem hohe Temperaturen entwickeln. Infolge dass die Kolbenböden 5 und 6 mit hoher Temperatur beaufschlagt werden können, kann in den Kolbenmulden 5 und 6, das darin befindliche Restgas zur Tempera turerhöhung herangezogen werden und wobei durch die Temperaturerhöhung eine Schadstoffminderung erzielt werden kann.
Eine innere Abgasrückführung kann vorgesehen sein, wobei die explosionsartige Kompressionszündung am Ende der Gleichlaufphase der Kolben 5 und 6 erfolgt. Weiter kann, nicht näher dargestellt, überspültes Treibstoffluftgemisch, in einer Nachbrennkammer zur Abgasnachbehandlung und Wärmegewinnung genutzt werden.
Die neu entwickelten Leichtmetallkohlenstoffkolben weisen im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 30% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe auswirkt. Durch das reduzierte Eigengewicht werden nicht nur die oszillierenden Massen verringert, sondern auch die Eigendynamik und Sparsamkeit des Motors verbessert. In eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur, welche mit Belastungskräfte aufnehmenden Kanälen durchzogen ist, wird unter hohem Druck flüssiges Leichtmetall eingepresst. Dieses Leichtmetall bildet eine tragende und kräfteverteilende Struktur, welches ermöglicht, aufgrund der höheren Festigkeit von Leichtmetall und des geringeren spezifischen Gewichtes von Grafit, einen hochfesten selbstschmierenden Kolben 2.3 für Verbrennungskraftmaschinen herzustellen, womit zugleich ein Fressen des Kolbens 2, 3 vermieden wird, da seine hohe Temperaturbeständigkeit extrem hohen thermischen Belastungen standhalten kann.

Claims

Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors mit mindestens zwei Kolben, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen eine Brennkammer bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Kolben (2) und (3) aus einer Zusammensetzung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2, 3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/ Grafitstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur, sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt sind.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallanteil etwa bis zu 60% einnimmt.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Stützmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff-/Grafitstruktur eingepresst ist.
Gegenkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennraum (7) bildenden Kolbenböden (5) und (6) muldenförmig ausgebildet sind.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung innerhalb der beiden aufeinanderliegenden Kolbenmulden (5.1) und (6.1) erfolgt.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Gleichlaufphase der Treibstoff auf der muldenförmigen Kolbenoberfläche (5.2) und (6.2) verdampft und gleichzeitig sich durch einen schnelllaufenden Luftwirbel mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischt.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibstoffluftgemisch am Ende der Gleichlaufphase zündet.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsdrücke im Bereich von 1:12 bis 1:14 liegen.
Gegenkolbenmotor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoffeinspritzung mittels einer Zapfendüse (8) erfolgt, wobei der Einspritzdruck zwischen 60 und 180 bar liegt.