DE10344737B3 - Opposed-piston engine of two-stroke type to provide power has individual pistons made from composition of non-ferrous metal and carbon/graphite - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors mit mindestens zwei Kolben, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen eine Brennkammer bilden.The invention relates to a counter-piston engine in the manner of a two-stroke engine with at least two pistons, which in form a combustion chamber in two axially aligned cylinder chambers.
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.The counter-piston engine is a longitudinally flushed two-stroke engine where the gases flow in the direction of the cylinder axis when changing the gas. Work here in each cylinder two pistons in opposite directions. While of the compression stroke, the pistons move towards each other, whereby while the pistons move away from each other. The Bottoms of both Pistons together with part of the cylinder wall form the combustion chamber of the motor. The merge the combustion air and the gases, as well as the removal of the Exhaust gases are produced by rows of slots released by the pistons.
So ist beispielsweise aus der
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.This results in that of the invention underlying task, a counter-piston engine like a To further develop two-stroke engine, the pistons of which are very high Allow temperatures, the running and lubrication properties the piston should be secured. It is a further object of the invention to provide a two-stroke counter-piston engine that is related on fuel quality is undemanding and characterized by a low specific consumption distinguished.
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.On the one hand, this task solved, that the single piston is made of one composition, which consists of light metal and carbon / graphite. The calf as such has a sponge-like open-pore carbon structure on that of channels is enforced. Here are the open-pore carbon structures as well as the enforced channels with one as a support matrix forming light metal structure. The light metal part is about 60%. To produce the piston is under high Pressure in the carbon / graphite structure that the support matrix forming light metal pressed.
Der erfindungsgemäße Leichtmetallkohlenstoffkolben weist im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 30% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe auswirkt.The light metal carbon piston according to the invention shows compared to conventional light alloy pistons an up to 30% reduced weight, which is positive affects the smooth running of the engine.
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.Due to the reduced weight not only are the oscillating masses reduced, but also improves the dynamics and economy of the engine. In a sponge-like open-pore carbon / graphite structure, which with loading forces receiving channels is pulled through, liquid light metal is pressed in under high pressure. This light metal forms a load-bearing and force-distributing structure, which allows, due to the higher Strength of light metal and the lower specific weight from Grafit, a high-strength, self-lubricating piston for internal combustion engines manufacture. This prevents the piston from seizing, because its high temperature resistance can withstand extremely high thermal loads.
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.In further development of the invention the piston crowns forming the combustion chamber are trough-shaped. This is done the combustion within the two superimposed ones forming the combustion chamber Piston recesses. According to a particularly advantageous embodiment of the Invention is made during the Synchronization phase of the pistons moving in the liner Fuel on the trough-shaped piston surface evaporates and mixes at the same time through a fast-running Air vortices with the compressed combustion air. This ignites Fuel-air mixture at the end of the synchronization phase. The compression pressures are thereby in the range from 1:12 to 1:14. The fuel is injected by means of a nozzle nozzle, the injection pressure is between 60 and 180 bar.
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.Due to the formation of the piston is achieved that the counter-piston engine with a novel combustion process can be operated. Because by using carbon pistons, which is a support matrix Made of light metal and have a high heat storage capacity to have. will run out of fuel during the synchronism phase of the pistons on the uncooled piston surface, such as it is state of the art, exposed to an extremely high temperature, so that it vaporizes and taking it through one quickly current vortexes completely homogeneous with the combustion air is mixed. The residual gas in the piston bowls serves thereby increasing the temperature and at the same time to reduce pollutants. There is a separate exhaust system therefore not necessary.
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.The fuel-air mixture ignites explosively towards the end of the synchronization phase. It is therefore a compression ignition gasoline engine. The compression pressures are in the range of 1:12 to 1:14 compression, which entails a compression pressure of less than 30 bar speaks. The peak combustion pressure is over 150 bar. In addition, gasified fuel can be supplied via the purge air for use in combined heat and power with increased heat requirements. This then partially burns inside the combustion chamber. The flushed fuel-air mixture ignites due to the exhaust gas temperature in the afterburning chamber, which is optionally installed downstream of the engine. This afterburner is also used as an exhaust aftertreatment system. In it, the remaining fuel particles and soot particles are burned by increasing the temperature of the exhaust gas.
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.In the engine the combustion takes place within the two piston bowls instead. A touch of the fuel gas with the Cylinder outer wall is largely avoided, so that the temperature transition to the liner is prevented. Since the combustion is not as in Diesel process relatively slow within several degrees of crankshaft angle, but takes place explosively with simultaneous ignition of all fuel molecules, can higher speeds can be achieved. Due to the rapid explosive combustion in the combustion chamber and thorough mixing and evaporation of the fuel will result in soot formation avoided, it is not a device for adjusting the compression pressure therefore necessary.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden einzigen Figur näher erläutert.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the single figure below.
Die einzige Figur zeigt in der teilweise
geschnittenen Seitenansicht in schematischer Darstellung einen Gegenkolbenmotor
Wie schon gesagt, besteht der Gegenkolbenmotor
Der für das Brennverfahren wesentliche
Teil bildet die den Brennraum
Dabei werden die Kolbenoberflächen
Eine innere Abgasrückführung kann
vorgesehen sein, wobei die explosionsartige Kompressionszündung am
Ende der Gleichlaufphase der Kolben
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
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