Gegenkolben-Brennkraftmaschine

Abstract

 Es wird eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine in Form einer Zweitakt-Dieselmaschine vorgeschlagen, die in einer bevorzugten Ausführungsform zwei zueinander parallele Zylinder (2a, 2b) aufweist, die jeweils zwei gegenläufige Kolben (3a, 4a) bzw. (3b, 4b) enthalten. Die beiden auf der gleichen Seite liegenden Kolben (3a) und (4b) bzw. (4a), (3b) der beiden Zylinder wirken auf eine gemeinsame Wippe (11a) bzw. (12a), die im Gehäuse der Brennkraftmaschine gelagert ist. Jede Wippe (11a), (12a) ist über ein Pleuel (9) bzw. (10) mit einem gemeinsamen Exzenter (8) auf der Kurbelwelle verbunden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Brennkraftmaschinen zeichnen sich durch einen hohen thermischen Wirkungsgrad aus, der u.a. durch den Wegfall des Zylinderkopfes und im Dieselbetrieb durch ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist bei Verwirklichung des 2-Takt-Verfahrens die Anwendung der Gleichstrom-Spülung,mdie bekanntlich im Verhältnis von Aufwand zu Wirkung optimal ist. Nachteilig war bisher der erhebliche Bauaufwand. So ist bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (DE-PS 618 478) die Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen, einen für jedes Pleuel, versehen, die um 180° zueinander versetzt sind. Die Herstellung einer derartigen Welle ist verhältni.smäßig aufwendig. Außerdem ist es für den Betrieb nachteilig, daß die beiden Pleuel zwischen den Wippen und der Kurbelwelle nicht in einer Ebene angeordnet werden können. Aus dem axialen Versatz der Pleuel resultieren axiale Kräfte in den Pleuellagern und/oder Biegemomente in den Pleueln und in den Wippen-Lagerungen.

[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer derartigen Gegenkolben-Brennkraftmaschine zu vereinfachen und eine momentenfreie Aufnahme der Kräfte über die Pleuel zu ermöglichen.

[0003] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

[0004] Durch die Lagerung der beiden Pleuel auf einem gemeinsamen Exzenter erhält die Kurbelwelle eine einfache Form, die mit geringem Aufwand hergestellt werden kann. Vorzugsweise wird eines der Pleuel als Gabelpleuel und das andere als einfaches Pleuel ausgebildet, das zwischen den Schenkeln des Gabelpleuels auf dem Exzenter gelagert ist. Der Exzenter selbst kann zwei Lagerstellen, eine für das Gabelpleuel und das andere für das einfache Pleuel, aufweisen, wobei diese Lagerstellen im Normalfall konzentrisch zueinander sind, deren Mittelpunkte jedoch zur Erzielung besonderer Effekte in ihrer Phasenlage geringfügig, beispielsweise um etwa 5°, zueinander versetzt sein können. Alternativ kann für beide Pleuel eine gemeinsame schwimmende Lagerbüchse vorgesehen sein, die den Vorteil hat, daß die Tragfähigkeit erhöht wird.

[0005] Die erfindungsgemäße Gegenkolben-Brennkraftmaschine kann in bekannter Weise als Zweitakt-Brennkraftmaschine ausgebildet sein, bei der der Zylinder von dem einen Kolben übersteuerte Einlaßschlitze und von dem anderen Kolben übersteuerte Auslaßschlitze aufweist. Dabei soll das-Pleuel, das dem Kolben zugeordnet ist, der die Auslaßschlitze übersteuert, mit seiner Anlenkstelle an der Wippe zwischen dem Zylinder und der durch die Drehachsen der Wippe und der Kurbelwelle gelegten Ebene liegen. Dadurch wird erreicht, daß sich dieser Kolben im Bereich des unteren Totpunktes schneller bewegt als der andere, die Einlaßschlitze übersteuernde Kolben, wodurch einerseits große Auslaßsteuerquerschnitte ermöglicht werden und eine gute Spülung erfolgt, und andererseits ein rasches Freigeben der Auslaßschlitze eintritt, sodaß eine übermäßige Aufheizung, die bei langsamem öffnen der Auslaßschlitze eintreten kann, vermieden wird. Umgekehrt bewegt sich der die Auslaßschlitze steuernde Kolben aus der oberen Totpunktstellung langsamer als der die Einlaßschlitze übersteuernde Kolben, was den Vorteil hat, daß bei Anordnung einer Kolbenmulde nur in dem die Einlaßschlitze steuernden Kolben bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung die Kolbenbewegung die Verteilung der Kraftstoffes in der Luft durch die Relativbeweoung zwischen Brennraum und Einspritzstrahl unterstützt.

[0006] Die Lage der Pleuel-Anlenkpunkte an den Wippen wird in Bezug auf die Drehpunkte der Wippen vorzugsweise so gewählt, daß für den die Einlaßschlitze übersteuernden Kolben der Winkel zwischen der Geraden Wippendrehpunkt-Pleuelanlenkpunkt und der Geraden Pleuelanlenkpunkt-Kurbelwellen-Mittelpunkt in OT annähernd 90° beträgt, während dieser Winkel für den die Auslaßschlitze übersteuernden Kolben größer als 90° ist und etwa 120° beträgt. Dadurch wird erreicht, daß zu Beginn der Spülung die Auslaßschlitze früher freigegeben werden als die Einlaßschlitze, am Ende der Spülung jedoch die Einlaß- und die:Auslaßsteuerschlitze gleichzeitig abgesteuert werden. So wird der notwendige Vorauslaß erreicht und das Rückschieben bzw. Ausschieben von Ladung am Ende der Spülperiode minimiert.

[0007] Die vorgeschlagene Kinematik ermöglicht ohne doppelten Aufwand die Schaffung einer Gegenkolben-Brennkraftmaschine, die in an sich bekannter Weise zwei zueinander parallele Zylinder mit je zwei gegenläufigen Kolben aufweist. Jede Wippe ist dabei mit jeweils einem Kolben eines Zylinders derart verbunden, daß der eine Kolben des einen Zylinders in seiner oberen Totpunktstellung ist, wenn sich der andere Kolben des anderen Zylinders in seiner unteren Totpunktlage befindet. Es sind also wie bei dem Einzylindermotor mit zwei gegenläufigen Kolben nur zwei Wippen erforderlich, wodurch der Bauaufwand gegenüber anderen Gegenkolben-Brennkraftmaschinen mit zwei Zylindern, die eine vierfach gekröpfte Kurbelwelle und entsprechende Zwischenglieder zwischen der Kurbelwelle und dem Kolben benötigen, außerordentlich verringert6ist.

[0008] Besonders vorteilhaft ist bei dieser Bauart, daß die Kolben des einen Zylinders im Verdichtungstakt über die Wippen direkt von den Kolben des anderen Zylinders angetrieben werden, sodaß diese Leistung nicht über den mit Reibung behafteten Kurbeltrieb läuft. Der Kurbeltrieb wird gegen-

[0009] über der Brennkraftmaschine mit nur einem Zylinder wesentlich entlastet, sodaß ein beträchtlich höherer mechanischer Wirkungsgrad erreicht wird.

[0010] Die Lage mindestens eines Wippenlagers kann relativ zur Kurbelwellen-Drehachse veränderbar ausgeführt sein, beispielsweise, indem es in einer verdrehbaren Exzenterbüchse gelagert ist. Dadurch läßt sich das Verdichtungsverhältnis beider Zylinder einstellen, was beispielsweise erwünscht sein kann, um Fertigungstoleranzen auszugleichen.

[0011] Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder,

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie II-II in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 einer Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit zwei zueinander parallelen Zylindern.

[0012] Es sei zunächst auf Fig. 1 bis 3 Bezug genommen, in denen eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine dargestellt ist, die ein Gehäuse 1 mit einem Zylinder 2 aufweist, der zwei gegenläufige Kolben 3 und 4 aufnimmt. Die beiden Kolben 3 und 4 begrenzen mit ihren Böden einen Brennraum, der in der Fig. 1 dargestellten OT-Lage im wesentlichen ausschließlich von einer Kolbenmulde 5 im Boden des Kolbens 3 gebildet ist. Senkrecht zur Längsachse des Zylinders 2 ist im Gehäuse 1 über Lager 7, 7a eine zweiteilige Kurbelwelle 6, 6a drehbar gelagert, die einen Kurbelzapfen oder Exzenter 8 aufweist, auf dem zwei Pleuel 9 und 10 drehbar gelagert sind, von denen das Pleuel 10 als Gabelpleuel ausgebildet ist und das Pleuel 9 als einfaches Pleuel zwischen den Gabeln oder Schenkeln des Pleuels 10 auf dem Exzenter 8 über eine schwimmende Lagerbüchse 8a gelagert ist. Im Gehäuse 1 sind ferner zwei Wippen 11 und 12 über Lagerbüchsen 13 bzw. 14 drehbar gelagert. An der Wippe 11 ist das Pleuel 10 über einen Pleuelbolzen 15 und an der Wippe 12 ist das Pleuel 9 über einen Pleuelbolzen 16 angelenkt. Jede .Wippe 11, 12 hat einen Fortsatz 17 bzw. 18, dessen abgerundetes Ende 19 bzw. 20 mit der Rückseite 21 bzw. 22 des Kolbens 3 bzw. 4 zusammenwirkt. Ein Mitnehmerstift 23 bzw. 24, der keine Gaskräfte aufzunehmen hat, verbindet den Kolben 3 bzw. 4 mit seiner Wippe 11 bzw. 12. Alternativ könnten-die Kolben 3 und 4 mit ihren Wippen 11 und 12 über Laschen verbunden werden, die drehbar einerseits an den Kolben und andererseits an den Wippen angebracht sind.

[0013] Erwähnenswert ist noch, daß das Gehäuse 1 eine Grundplatte 30 aufweist, an die ein Träger 31 für das auf der einen Seite liegende Lager 7 des Kurbelwellenteiles (6) angegossen ist, der öffnungen 32 und 33 zur Aufnahme der einen Enden der Lagerbüchsen 13, 14 der Wippen 11, 12 aufweist. Ein Lagerschild 34, das das auf der anderen Seite liegende Lager 7a des Kurbelwellenteiles 6a und die anderen Enden der Lagerbüchsen 13 und 14 aufnimmt, ist mit dem Träger 31 durch nicht gezeigte Schrauben verbunden. Ferner kann an die Grundplatte 30 der Zylinder 2 mit seinem Wassermantel und Frischluft- und Abgasfüh-rungskanälen angegossen sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die gesamte Brennkraftmaschine kann von einer Kapsel 35 umschlossen werden, wodurch ein äußerst geräuscharmes Aggregat geschaffen ist.

[0014] Die dargestelle Brennkraftmaschine ist als Zweitakt-Dieselbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet. Zu diesem Zweck weist der Zylinder 2 Einlaßsteuerschlitze 25 auf, die von dem nunmehr als Einlaßkolben bezeichneten Kolben 3 übersteuert und durch einen Verdichter 26 mit verdichteter Luft versorgt werden, sowie Auslaßsteuerschlitze 27, die von dem im folgenden als Auslaßkoeben bezeichneten Kolben 4 übersteuert werden und mit einer nicht gezeigten Auspuffanlage in Verbindung stehen. Der Zylinder 2 nimmt weiterhin eine Einspritzdüse 28 (Fig. 3) sowie eine Glühkerze 29 auf. Der Zylinder 2 ist ferner von einem Kühlmittelraum 2' umgeben.

[0015] Um die gegenläufige Bewegung der Kolben 3, 4 zu erreichen, liegen die Pleuelbolzen 15, 16, mit denen die Pleuel 9, 10.an ihren zugehörigen Wnppen 11, 12 angelenkt sind, auf verschiedenen Seiten der Ebenen, die durch die Drehachse D der Kurbelwelle 6 und die Drehachsen E bzw. E' der Wippen 9, 10 gelegt sind. Dabei ist die Anordnung derart getroffen, daß der Pleuelbolzen 16 das Pleuel 9, das dem Auslaßkolben 4 zugeordnet ist, zwischen dem Zylinder 2 und der durch die Drehachsen D und E' der Kurbelwelle 6, 6a und der Wippe 12 gelegten Ebene liegt. Dadurch wird erreicht, daß der Auslaßkolben 4 im Bereich von OT eine langsamere Bewegung ausführt als der Einlaßkolben 3, sodaß die Volumenvergrößerung nach OT verhältnismäßig langsam vor sich geht und so relativ viel Zeit für das Einbringen des Kraftstoffes in die Kolbenmulde 5 zur Verfügung steht und zunächst eine annähernde Gleichdruckverbrennung stattfindet. Umgekehrt bewegt sich im Bereich UT der Auslaßkolben 4 schneller als der Einlaßkolben 3, was zur Folge hat, daß-große Auslaßsteuerquerschnitte untergebracht werden können, die eine gute Spülung des Zylinders 2 ermöglichen, und .außerdem ein rasches Freigeben der Auslaßsteueröffnungen 27 eintritt, wodurch eine übermäßige Aufheizung des Zylinders 2 in diesem Bereich vermieden wird, die bei schleichender Freigabe eintreten könnte.

[0016] Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt für den Einlaßkolben 3 der Winkel α zwischen der Geraden Wippendrehpunkt E-Pleuelanlenkpunkt F und der Geraden Pleuelanlenkpunkt F - Kurbelwellenmittelpunkt D in der OT-Stellung annähernd 90°. Daraus ergibt sich für den Auslaßkolben 4 ein entsprechender Winkel ß von etwa 120°. Diese Anordnung der Dreh- und Schwenkachsen hat eine derartige Bewegung der Kolben 3 und 4 zur Folge, daß die Einlaß- und Auslaßsteuerschlitze 25 bzw. 27 etwa gleichzeitig schließen, die Auslaßsteuerschlitze 27 jedoch etwas früher freigegeben werden als die Einlaßsteuerschlitze 25. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß sich einerseits der Zylinderinhalt vor dem Freigeben der Einlaßschlitze wesentlich entspannt und andererseits das Rückschieben von Ladung während der Verdichtung so gering wie möglich gehalten wird.

[0017] In Fig. 4 ist eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, die praktisch eine Verdoppelung der in Fig. 1 gezeigten Maschine darstellt und zwei zueinander parallele Zylinder 2a und 2b aufweist, die jeweils einen Einlaßkolben 3a bzw. 3b und einen Auslaßkolben 4a bzw. 4b enthalten. Die Wippe lla ist so ausgebildet, daß sie sowohl mit dem Einlaßkolben 3a des Zylinders 2a als auch mit dem Auslaßkolben 4b des Zylinders 2b zusammenwirkt, und die Wippe 12a wirkt in entsprechender Weise mit dem Auslaßkolben 4a des Zylinders 2a und dem Einlaßkolben 3b des zweiten Zylinders 2b zusammen, und zwar derart, daß sich die Kolben des einen Zylinders in ihrer OT-Stellung befinden, wenn die Kolben des anderen Zylinders in ihrer UT-Stellung sind. Die Wippen lla und 12a sind in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben jeweils über ein einziges Pleuel 9 bzw. 10 mit dem Exzenter 8 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Kinematik der in Fig. 4 gezeigten Doppelmaschine nicht mehr Einzelteile erfordert als die in Fig. 1 gezeigte Einzylindermaschine. Dadurch wird ein außerordentlich einfacher Aufbau bei geringem Raumbedarf erreicht.

[0018] Weiter ist deutlich, daß bei dieser Zweizylindermaschine der Kurbeltrieb mit Pleueln und Kurbelwelle wesentlich entlastet wird. Die Kolben werden in der Verdichtungsphase direkt durch die parallelen Kolben des zweiten Zylinders über die Wippen angetrieben, der Kurbeltrieb wird von dieser Arbeitsübertragung entlastet. Dies ist insofern ein wichtiger Vorteil, als die Lager des Kurbeltriebes voll umlaufen und damit weit mehr Reibarbeit verbrauchen als die nur hin- und herschwenkenden Wippenlager.

[0019] Um das Verdichtungsverhältnis der beiden Zylinder 2a und 2b unabhängig von Fertigungstoleranzen abgleichen zu können, ist es zweckmäßig, daß die Lage mindestens eines Wippenlagers 13 bzw. 14 relativ zur Kurbelwellen-drehachse veränderbar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das einstellbare Wippenlager, z.B. 14, auf einer verdrehbaren Exzenterbüchse 36 gelagert ist.

Ansprüche

1. Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse mit mindestens einem Zylinder, der zwei gegenläüfige Kolben aufnimmt, die mit ihren Böden einen Brennraum begrenzen, wobei die Bewegung jedes Kolbens über eine im Gehäuse drehbar gelagerte Wippe und ein an dieser angelenktes Pleuel auf eine Kurbelwelle übertragen wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Pleuel (9, 10), die den beiden, in einem Zylinder (2) angeordneten Kolben (3, 4) zugeordnet sind, auf einem gemeinsamen Exzenter (8) drehbar gelagert sind und daß die Anlenkstellen (15, 16) der Pleuel (9, 10) an den zugehörigen Wippen (11, 12) auf verschiedenen Seiten der Ebenen liegen, die durch die Drehachse (D) der Kurbelwelle (6) und die Drehachsen (E bzw. E') der Wippen (9, 10) gelegt sind.

2. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 in Form einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei der der Zylinder von dem einen Kolben übersteuerte Einlaßschlitze und von dem anderen Kolben übersteuerte Auslaßschlitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (10), das dem Kolben .(4) zugeordnet ist, der die Auslaßschlitze (27) übersteuert, mit seiner Anlenkstelle (16) an der Wippe (12) zwischen dem Zylinder (2) und der durch die Drehachsen (E', D) der Wippe (12) und der Kurbelwelle (6) gelegten Ebene liegt.

3. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den die Einlaßschlitze (25) übersteuernden Kolben (3) der Winkel zwischen der Geraden Wippendrehpunkt (E) - Pleuelanlenkpunkt (F) und der Geraden Pleuelanlenkpunkt (F) - Kurbelwellenmittelpunkt (D) im OT annähernd 90° beträgt.

4. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, in Form einer Zweitakt-Dieselbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß nur im Boden des die Einlaßschlitze (25) übersteuernden Kolbens (3) eine Kolbenmulde (5) angeordnet ist.

5. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwei zueinander parallele Zylinder (2a, 2b) mit je zwei gegenläufigen Kolben (3a, 4a; 3b, 4b) vorgesehen sind, wobei jede Wippe (lla, 12a) mit jeweils einem Kolben (3a, 4b bzw. 3b, 4a) eines Zylinders derart verbunden ist, daß der eine Kolben in seiner oberen Totpunktstellung ist, wenn sich der andere in seiner unteren Totpunktlage befindet, und daß die Drehachsen (D bzw. E, E') der Kurbelwelle (6) und der Wippen (lla, 12a) in einer gemeinsamen Ebene liegen.

6. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage mindestens eines Wippenlagers (13, 14) relativ zur Kurbelwellen-Drehachse (D) veränderbar ist.

7. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das einstellbare Wippenlager (14) in einer verdrehbaren Exzenterbüchse (36) gelagert ist.

8. Gegenkolben-Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Pleuel (9, 10) auf dem Exzenter (8) eine schwimmende Lagerbüchse (8a) vorgesehen ist.

Zeichnung