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DE102024002935A1 - Internal combustion engine based on the opposed piston principle - Google Patents

Internal combustion engine based on the opposed piston principle Download PDF

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DE102024002935A1
DE102024002935A1 DE102024002935.4A DE102024002935A DE102024002935A1 DE 102024002935 A1 DE102024002935 A1 DE 102024002935A1 DE 102024002935 A DE102024002935 A DE 102024002935A DE 102024002935 A1 DE102024002935 A1 DE 102024002935A1
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internal combustion
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pistons
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um hierbei den besagten Verbrennungsmotor bei kompakter Bauweise mit hoher Leistungsdichte dahingehend weiterzuentwickeln, dass er für den Einsatz von Wasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Biokraftstoffen (Biofuels) bei hoher abrufbarer Dauerleistung hochtemperaturfest ausgelegt ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Pleuellager (8a, 8a') über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle (5, 5') angeordnete Schleuderscheibe (10, 10') und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe (10, 10') befindlichen Injektor (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder (2) sowie die Kolbenringe (4, 4') der Kolben (3, 3') aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.

Figure DE102024002935A1_0000
The invention relates to an internal combustion engine operating on the opposed-piston principle, with an arrangement of two opposed pistons running in a cylinder with a common combustion chamber and provided with piston rings, wherein the opposing pistons each act on their own crankshaft via connecting rods, connecting rod bearings and eccentrics, and each of the two crankshafts has its own mechanical output, and the two outputs are each provided with a drive belt pulley, and the two drive belt pulleys are coupled via a drive belt and the piston movements are synchronized via this, according to the preamble of patent claim 1. In order to further develop the said internal combustion engine with a compact design and high power density so that it is designed to be high-temperature resistant for the use of hydrogen and hydrogen-containing biofuels with high continuous power, it is proposed according to the invention that the connecting rod bearings (8a, 8a') are connected to each crankshaft (5, 5') via a centrifugal disk (10, 10') which is also arranged on each crankshaft (5, 5') and a centrifugal disk (10, 10') which is arranged in direct proximity to the centrifugal disk (10, 10') can be supplied with lubricant, via which a drip or spray injection of lubricant can be carried out in adjustable cycle times, and that both the cylinder (2) and the piston rings (4, 4') of the pistons (3, 3') consist of a metal material, while the pistons themselves consist of a carbon or carbon ceramic material.
Figure DE102024002935A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an internal combustion engine based on the opposed piston principle, with an arrangement of two opposed pistons running in a cylinder with a common combustion chamber and provided with piston rings, wherein the opposing pistons each act on their own crankshaft via connecting rods and connecting rod bearings and eccentrics, and each of the two crankshafts has its own mechanical output, and the two outputs are each provided with a drive belt pulley, and the two drive belt pulleys are coupled via a drive belt and the piston movements are synchronized via this, according to the preamble of patent claim 1.

Verbrennungsmotoren nach dem Zweitakt-Gegenkolbenprinzip sind bekannt, und gehen historisch auf den sogenannten Junkers Motor zurück. Zwei gegenläufige Kolben laufen dabei in einem gemeinsamen Zylinder. Die Kolbenbewegungen sind so abgestimmt, dass sie in einem Takt gleichzeitig aufeinander zulaufen und somit eine enorme Verdichtung im Verbrennungsraum erzielen. Hierbei ist besonders darauf zu achten, dass deren Bewegungen genau aufeinander synchronisiert sind und die Zündung zum genauen Zeitpunkt der maximalen Verdichtung erfolgt. Im Hinblick auf das Verhältnis von Leistung zu Hubvolumen hat dieser Motortyp enorme Vorteile. Der Motor ist somit bezogen auf seine erzielbare Leistung kleinbauend. Ein Beispiel für einen präzise synchronisierten Motor dieser Art ist aus der DE 10 2011 114 854 A1 bekannt.Internal combustion engines based on the two-stroke opposed-piston principle are well known and historically date back to the so-called Junkers engine. Two counter-rotating pistons run in a common cylinder. The piston movements are coordinated so that they converge simultaneously in one stroke, thus achieving enormous compression in the combustion chamber. Particular attention must be paid to ensuring that their movements are precisely synchronized and that ignition occurs at the precise moment of maximum compression. This type of engine offers enormous advantages in terms of the power-to-displacement ratio. The engine is therefore small in size relative to its achievable power. An example of a precisely synchronized engine of this type can be seen in the DE 10 2011 114 854 A1 known.

Unter Berücksichtigung der sogenannten Ökoeffizienz besteht ein ungebrochener Trend zu Elektroantrieben in Fahrzeugen. Bestehendes Problem dabei ist die Limitierung der Speicherbarkeit von elektrischer Energie in Fahrzeugen, um entsprechende Reichweiten auch unter nicht optimalen Fahrbedingungen und auch im Winterbetrieb zu erhalten.Considering so-called eco-efficiency, there is an unbroken trend toward electric drive systems in vehicles. The ongoing problem is the limitation of the storage capacity of electrical energy in vehicles in order to maintain sufficient ranges even under less than optimal driving conditions and during winter operation.

In Bezug auf alternative Kraftstoffe ist anzumerken, dass nicht alle herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf nachhaltige erneuerbare Kraftstoffe ohne erheblichen Aufwand umrüstbar sind. Dies gilt für Flüssigkraftstoffe ebenso wie für gasförmige Kraftstoffe. Hierzu zählen Biogas, aber allen voran auch Wasserstoff.With regard to alternative fuels, it should be noted that not all conventional combustion engines can be converted to sustainable, renewable fuels without considerable effort. This applies to liquid fuels as well as gaseous fuels. These include biogas, but above all, hydrogen.

Bezogen auf die bereits geschilderte hohe Leistung bezüglich des Hubvolumens und damit auch in Bezug auf die kleinbauende Konstruktion solcher Motoren versagen bekannte Maßnahmen zur hochtemperaturfesten Schmierung solcher Motoren oftmals.In relation to the already described high performance in terms of displacement and thus also in relation to the small construction of such engines, known measures for high-temperature-resistant lubrication of such engines often fail.

Mit Bezug auf die Schmierung von Motoren im Kolben-Zylinder-Bereich ist es im Stand der Technik üblich, dass die Zylinderinnenflächen in der Regel gehont sind. Diese Oberflächenbehandlung betrifft die sogenannten tribologischen Eigenschaften, zur Herabsetzung der Reibung. Tatsächlich ist die Innenoberfläche nach einer Honung aber nicht glatt, sondern ergeben eine feine Riefenstruktur, in einer Art Kreuzschliffstruktur. Beim Einsatz von Schmiermitteln, d.h. Schmierölen soll diese Struktur die Anhaftung von ölhaltigen Schmiermitteln erhöhen. Beim Einsatz von oben genannten wasserstoffhaltigen Kraftstoffen ist eine Ölschmierung unvorteilhaft bis unmöglich.With regard to engine lubrication in the piston-cylinder area, it is common practice in the state of the art for the cylinder inner surfaces to be honed. This surface treatment affects the so-called tribological properties, reducing friction. In reality, however, the inner surface after honing is not smooth, but rather produces a fine grooved structure, similar to a cross-grained pattern. When using lubricants, i.e., lubricating oils, this structure is intended to increase the adhesion of oil-based lubricants. When using the aforementioned hydrogen-containing fuels, oil lubrication is disadvantageous or even impossible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den besagten Verbrennungsmotor bei kompakter Bauweise mit hoher Leistungsdichte dahingehend weiterzuentwickeln, dass er für den Einsatz von Wasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Biokraftstoffen (Biofuels) bei hoher abrufbarer Dauerleistung hochtemperaturfest ausgelegt ist.The invention is based on the object of further developing the said combustion engine with a compact design and high power density in such a way that it is designed for the use of hydrogen and hydrogen-containing biofuels (biofuels) with high continuous power available and is resistant to high temperatures.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verbrennungsmotors der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The stated object is achieved according to the invention in an internal combustion engine of the generic type by the characterizing features of claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims 2 to 11.

Kern der Erfindung ist dabei, dass die Pleuellager über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle angeordnete Schleuderscheibe und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe befindlichen Injektor mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder sowie die Kolbenringe der Kolben aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.The core of the invention is that the connecting rod bearings can be supplied with lubricant via a centrifugal disc, which is also arranged on each crankshaft, and an injector located in the immediate vicinity of the centrifugal disc, via which a drip or spray injection of lubricant can be carried out in adjustable cycle times, and that both the cylinder and the piston rings of the pistons are made of a metal material, while the pistons themselves are made of a carbon or carbon ceramic material.

Eine ansonsten übliche Ölwanne, wie sie für einen Gegenkolbenmotor auch aus der DE 10 2011 114 854 A1 bekannt ist, in die bewegliche Teile der Kurbelwelle bzw Exzenter eintauchen müssen, entfallen hierbei. Stattdessen erfolgt eine Injektorgesteuerte präzise platzierte und dosierbare Schmierung dort wo sie benötigt wird.An otherwise standard oil pan, as used for an opposed piston engine, also from the DE 10 2011 114 854 A1 is known, into which moving parts of the crankshaft or eccentric must be immersed sen are eliminated. Instead, injector-controlled, precisely placed and metered lubrication is provided where it is needed.

Da beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff auch Sauerstoff mit eingesetzt werden soll, scheidet die Verwendung von Ölschmierung im Brennraum sowieso aus.Since oxygen is also to be used when hydrogen is used as a fuel, the use of oil lubrication in the combustion chamber is ruled out anyway.

Der Zylinder, bzw die Zylinderinnenwandung besteht aus Stahl, vorzugsweise Stahl, wie er für hochfeste Hydraulikrohre verwendet wird. Die Kolben bestehen aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff. Die Kolbenringe bestehen ebenfalls aus Stahl und liegen wie üblich in umlaufenden Rillen, den Kolbenringsitzen auf dem Kolben ein. Die Schmierung in diesem Bereich erfolgt nun dadurch, dass die aus Stahl bestehenden Kolbenringe in der Rille, des aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehenden Kolbens, also dem Kolbenringsitz einen feinen Abrieb von Carbonstaub erzeugen, der sodann die aus Stahl bestehenden Kolbenringe im aus Stahl bestehenden Zylinder gegeneinander schmiert. Eine weiterer, wenn auch nur noch sehr geringer, zumindest nur beim Start notwendiger Abrieb an Carbonwerkstoff schmiert somit auch den Kolben im Zylinder. Es hat sich in Langzeit- bzw Dauerbetriebsversuchen gezeigt, dass dieser recht geringe Abrieb des Carbonmaterials ausreichend ist, um Kolben mit Kolbenringen im Zylinder zu schmieren. Auch nach Außerbetriebnahme des Motors und nachfolgendem Neustart verbleibt dieser Schmierungseffekt aktiv.The cylinder, or rather the inner cylinder wall, is made of steel, preferably steel as used for high-strength hydraulic pipes. The pistons are made of carbon or carbon-ceramic material. The piston rings are also made of steel and, as usual, sit in circumferential grooves, the piston ring seats, on the piston. Lubrication in this area is achieved by the steel piston rings generating a fine abrasion of carbon dust in the groove of the carbon or carbon-ceramic piston, i.e., the piston ring seat, which then lubricates the steel piston rings in the steel cylinder. Further, albeit very slight, abrasion of the carbon material, which is only necessary at start-up, thus also lubricates the piston in the cylinder. Long-term and continuous operation tests have shown that this relatively slight abrasion of the carbon material is sufficient to lubricate pistons with piston rings in the cylinder. This lubrication effect remains active even after the engine has been shut down and subsequently restarted.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Schleuderscheiben mit jeweils einer von den Injektoren mit Schmiermittel beaufschlagten Seite umlaufend eingebrachten Rille versehen ist, in die hinein die Schmiermittelinjektion erfolgt, und die Rillen jeweils mit mindestens einer axialen Durchgangsöffnung versehen ist, die mit einer Durchgangsöffnung durch den jeweiligen Exzenter bis zum jeweiligen Nadellager der Pleuel fluchten. So wird das Schmiermittel direkt zur benötigten Stelle dosiert zugeführt.In a further advantageous embodiment, the centrifugal discs are each provided with a circumferential groove on the side exposed to lubricant by the injectors, into which the lubricant is injected. The grooves are each provided with at least one axial through-hole, which is aligned with a through-hole through the respective eccentric to the respective needle bearing of the connecting rod. Thus, the lubricant is metered directly to the required location.

Im Bereich der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung, also der Pleuellager erfolgt per Injektoren nur noch eine bedarfsgerechte Schmierung, lokalisiert auf die dort notwendige Schmierung.In the area of the connecting rod-crankshaft connection, i.e. the connecting rod bearings, only lubrication is carried out by injectors, localized to the lubrication required there.

Als Ausgangsstoffe für die besagten Kolben sind Carbon- oder carbonkeramische Werkstoffe, bspw. Werkstoffe mit der Bezeichnung FE 679, FE 709, FE 679 Q bspw der Firma Schunck Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim, Deutschland, verwendbar.Carbon or carbon-ceramic materials, e.g. materials with the designation FE 679, FE 709, FE 679 Q from Schunck Kohlenstofftechnik GmbH, Heuchelheim, Germany, can be used as starting materials for the said pistons.

Folgende Werkstoffparameter der Carbon- oder carbonkeramischen Werkstoffe sind für die Umsetzung der Erfindung bedeutsam: - Rohdichte von 1,75 bis 1,98 (g/cm3) - Porösität von 6 bis 11 (%) - Biegefestigkeit von 55 bis 90 (MPa) - Druckfestigkeit von 145 bis 245 (MPa) - Elastizitätsmodul 15 bis 26 (GPa) - Thermischer Ausdehnungskoeffiz 5,1 bis 7,5 (10-6/K) - Härte Rockwell HR5/150 110 bis 120 - Wärmeleitfähigkeit von 37 bis 62 (W/mK) - Mittlere Korngröße von 8 bis 12 (µm) The following material parameters of the carbon or carbon-ceramic materials are important for the implementation of the invention: - Bulk density from 1.75 to 1.98 (g/cm 3 ) - porosity from 6 to 11 (%) - Flexural strength from 55 to 90 (MPa) - Compressive strength from 145 to 245 (MPa) - Modulus of elasticity 15 to 26 (GPa) - Thermal expansion coefficient 5.1 to 7.5 (10 -6 /K) - Rockwell hardness HR5/150 110 to 120 - Thermal conductivity from 37 to 62 (W/mK) - Average grain size from 8 to 12 (µm)

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schmiermittelinjektionsmenge einstellbar ist. Hiermit wird der Einsatz von Schmiermittel auf das tatsächlich notwendige Maß reduziert.In an advantageous embodiment, the lubricant injection quantity is adjustable. This reduces the use of lubricant to the actually necessary amount.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Zykluszeiten zwischen den Injektionen einstellbar sind. Auch dies reduziert einerseits die Menge an Schmiermittel, und andererseits wird die Schmierung auf die notwendigen Areale beschränkt.Another advantageous feature is that the cycle times between injections are adjustable. This also reduces the amount of lubricant required, while also limiting lubrication to the necessary areas.

In weiterer Ausgestaltung kann das Schmiermittel flüssiges Schmiermittel sein, wozu Schmieröle gehören, sofern dies nur noch auf die Pleuellager beschränkt bleibt.In a further embodiment, the lubricant can be a liquid lubricant, which includes lubricating oils, provided that this is limited to the connecting rod bearings.

Alternativ kann das Schmiermittel aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis bestehen. In der Art eines Graphitpulvers, was sich aus dem Abrieb des Carbon- bzw des carbonkeramischen Werkstoffes bildet, und nicht von extern zugeführt werden muss.Alternatively, the lubricant can consist of a dust-fine, dry, carbon-based lubricant, similar to graphite powder, which is formed from the abrasion of the carbon or carbon-ceramic material and does not require external input.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Injektoren für das Schmiermittel aus einem Schmiermittelreservoir gespeist werden, in welches aus der besagten Pleuellager rückführbares Schmiermittel zurückgeführt wird.In an advantageous embodiment, it is stated that the injectors for the lubricant are fed from a lubricant reservoir into which recyclable lubricant is returned from the said connecting rod bearing.

In einer Ausgestaltungsversion kann das Schmiermittel für die Pleuellager aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis bestehen.In one embodiment, the lubricant for the connecting rod bearings can consist of a dust-fine dry lubricant based on carbon.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können die Lager oder Lagerschalen der Kurbelwellen aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehen. Ein sich am Beginn der Betriebes einstellender mikrofeiner Abrieb wird dabei sozusagen die Feststoffschmierung in diesem Bereich übernehmen. Da diese Art der Schmierung höchsttemperaturfest ist können Kraftstoffe verwendet werden, die auf höherer und damit effizienterer Verbrennungstemperatur arbeiten. Dies gilt insbesondere für Wasserstoff, und Wasserstoff enthaltende Gasgemische.In a further advantageous embodiment, the bearings or bearing shells of the crankshafts can be made of carbon or carbon-ceramic material. Microfine abrasion that occurs at the beginning of operation essentially acts as solid lubrication in this area. Since this type of lubrication is extremely temperature-resistant, fuels that operate at higher and therefore more efficient combustion temperatures can be used. This applies particularly to hydrogen and hydrogen-containing gas mixtures.

In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass der eingesetzte Kraftstoff zumindest teilweise aus Wasserstoff besteht.In a further embodiment, it is stated that the fuel used consists at least partly of hydrogen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Kraftstoff aus den beiden Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff besteht, die aus zwei separaten Tanks gasförmig und getrennt in den Brennraum einleitbar sind.In a further advantageous embodiment, it is stated that the fuel consists of the two components hydrogen and oxygen, which can be introduced into the combustion chamber in gaseous form from two separate tanks and separately.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and described in more detail below.

Es zeigt:

  • 1: Perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors
  • 2: Schleuderscheibe
  • 3: weitere Darstellung des Verbrennungsmotors
It shows:
  • 1 : Perspective view of the combustion engine according to the invention
  • 2 : centrifugal disc
  • 3 : further representation of the combustion engine

1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Motors 1. Innerhalb des Zylinders 2 sind die als Gegenkolben arbeitenden Kolben 3, 3' angeordnet. Diese enthalten Kolbenringe 4, 4' aus einem Carbon- bzw Carbon-Keramikwerkstoff mit den eingangs genannten spezifischen Materialdaten. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kolbenringe und die Zylinderinnenwand aus Stahl. Verzugsweise wird für den Zylinder Stahl verwendet, wie er für Hydraulikzylinder vorgesehen ist. Die Zylinderinnenwand ist entsprechend innenpoliert. 1 shows a perspective view of the engine 1. The pistons 3, 3', which function as opposing pistons, are arranged within the cylinder 2. These pistons contain piston rings 4, 4' made of a carbon or carbon-ceramic material with the specific material properties mentioned above. In the preferred embodiment, the piston rings and the cylinder inner wall are made of steel. Preferably, steel, as used for hydraulic cylinders, is used for the cylinder. The cylinder inner wall is polished accordingly.

Hierzu können beispielsweise Hydraulikrohre aus Präzisionsstahlrohren DIN EN 10305-4 sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Ein besonderer, für die Erfindung wesentliche Aspekt besteht im Einsatz innenpolierter Hyraulikrohre als Zylinder für diesen erfindungsgemäßen Motor. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten Zylinderinnenoberflächen, die gehont sind und somit eine Riefenstruktur aufweisen, sind die Innenoberflächen des erfindungsgemäßen Zylinders völlig glatt poliert. Im Stand der Technik soll die Honung dieser Flächen die Anhaftung von Schmieröl erhöhen.For example, hydraulic tubes made of precision steel tubes conforming to DIN EN 10305-4 can be used very advantageously for this purpose. A particular aspect essential to the invention is the use of internally polished hydraulic tubes as cylinders for this engine according to the invention. In contrast to the cylinder inner surfaces used in the prior art, which are honed and thus have a grooved structure, the inner surfaces of the cylinder according to the invention are polished completely smooth. In the prior art, honing these surfaces is intended to increase the adhesion of lubricating oil.

Die neue Art der Schmierung im Kolbenzylinderbereich wird vollständig durch den (kurzzeitigen) Abrieb des Carbonwerkstoffes bewirkt. Dies ist ein für die erzielten Wirkungen beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wichtiges Merkmal, im Zusammenwirken mit der oben bereits beschriebenen Schmierung über feinsten Abrieb des Carbonwerkstoffes. Somit entfällt nicht nur die Notwendigkeit einer gehonten Zylinderinnenoberfläche, sondern sie wäre bei der vorliegenden Erfindung sogar kontraproduktiv.The new type of lubrication in the piston-cylinder area is achieved entirely through the (short-term) abrasion of the carbon material. This is an important feature for the achieved effects in the combustion engine according to the invention, in conjunction with the lubrication via the finest abrasion of the carbon material described above. This not only eliminates the need for a honed inner cylinder surface, but would actually be counterproductive in the present invention.

Die im Zylinder 2 als Gegenkolben laufenden beiden Kolben 3, 3' bestehen erfindungsgemäß aus Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff. Einer der Kolben läuft über eine Kolben-Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung auf der Kurbelwelle 5 und der Gegenkolben entsprechend auf der Kurbelwelle 5'. Beide Kolben komprimieren denselben Kompressionsraum im Zylinder 2.According to the invention, the two pistons 3, 3', which act as opposing pistons in cylinder 2, are made of carbon or carbon-ceramic material. One of the pistons runs on the crankshaft 5 via a piston-connecting rod-crankshaft connection, and the opposing piston runs on the crankshaft 5'. Both pistons compress the same compression chamber in cylinder 2.

Die im Detail nicht weiter sichtbaren Kolben 3, 3' sind bekanntermaßen mit Kolbenringen versehen die wiederum aus Stahl bestehen. Sie liegen bekanntermaßen in umlaufenden Rillen um die Kolben in sogenannten Kolbenringsitzen ein. Bei der ersten Inbetriebnahme reiben die aus Stahl bestehenden Kolbenringe 4, 4' in den Kolbenringsitzen der aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehenden Kolben 3, 3' einen mikrofeinen Abrieb von Carbonstaub, der sich auf die in Berührung kommenden Reibungsflächen auflegt. Dieser Zustand ist in einem Zeitraum von < 0,5 Sekunden erreicht. Ab diesem Moment ist die Reibung so stark herabgesetzt, dass praktisch kaum noch ein weiterer Abrieb erfolgt. Im Weiteren Temperaturanstiegsverlauf passt sich Reibung und Abrieb sodann auch auf den Betriebszustand an.The pistons 3, 3', not shown in detail, are known to be equipped with piston rings, which are made of steel. They are known to be located in circumferential grooves around the pistons in so-called piston ring seats. During initial operation, the steel piston rings 4, 4' rub against the piston ring seats of the carbon or carbon-ceramic pistons 3, 3', which are made of carbon or carbon-ceramic material, producing a microfine abrasion of carbon dust, which is deposited on the friction surfaces that come into contact with the pistons. This state is reached within a period of less than 0.5 seconds. From this moment on, friction is reduced so much that practically no further wear occurs. As the temperature continues to rise, friction and wear then adapt to the operating condition.

Die Pleuel -Verbindungen greifen jeweils auf Exzenter 8, 8' der Kurbelwellen 5, 5' auf beiden Seiten des Verbrennungsmotors ein. Auf denselben Kurbelwellen, sind neben der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung die besagten Schleuderscheiben 10, 10' angeordnet. Diese werden von jeweils einem Injektor 9, 9' auf jeder Kolbenwelle mit injiziertem Schmiermittel beaufschlagt. Dafür sind die Injektoren mit hier nicht weiter dargestellten Schmiermittelreservoirs und Pumpen verbunden, über die in einstellbaren zyklischen Zeitintervallen minimal dosierte Schmiermittel nachgeführt werden. Über die besagte mindestens eine Durchgangsöffnung 12 in jeder der Schleuderscheiben 10, 10', die mit der weiterführenden Öffnung im Exzenter bis in den Bereich der Nadellager der Pleuel ausmünden, wodurch sich eine schmiermittelschlüssige Verbindung von außerhalb des Exzenters, sogar bis hin zu den Nadellagern Pleuel 8a, 8a' geschaffen ist. Die im Bereich der Pleuel benötige Schmierung wird damit auf das nötige Maß beschränkt. Abtropfendes Schmiermittel wird aufgefangen ggfs gefiltert und dem Injektor, bzw den Injektoren an jeder Schleuderscheibe wieder zugeführt wird.The connecting rod connections each engage eccentrics 8, 8' of the crankshafts 5, 5' on both sides of the internal combustion engine. On the same crankshafts, next to the connecting rod-crankshaft connection, the aforementioned flinger discs 10, 10' are arranged. These are each supplied with injected lubricant by an injector 9, 9' on each piston shaft. For this purpose, the injectors are connected to lubricant reservoirs and pumps (not shown in detail here), via which minimally dosed lubricant is supplied at adjustable cyclical time intervals. Via the aforementioned at least one through-opening 12 in each of the flinger discs 10, 10', which opens with the further opening in the eccentric into the area of the needle bearings of the connecting rods, thereby creating a lubricant-tight connection from outside the eccentric, even up to the needle bearings of the connecting rods 8a, 8a'. The lubrication required in the connecting rod area is thus limited to the necessary amount. Any dripping lubricant is collected, filtered if necessary, and fed back to the injector(s) on each centrifugal disc.

In einer anderen Ausführungsform können Teile der Lagerung von Pleuel und Kurbelwellen, d.h. Lagerschalen und/oder Lagescheiben der Pleuel-Kurbelwellen-Verbindung aus dem besagten Carbon- oder carbonkeramischen Werkstoff bestehen. Damit würde in diesem Ausführungsbeispiel auch dieser Bereich in der oben beschriebenen Weise mit dem minimalen Abrieb der in Eingriff stehenden Oberflächen geschmiert. Wahlweise können auch in diesem Falle die Injektoren so eingesetzt werden, dass auf diese Weise der pulverförmige Abrieb den Injektoren rückgeführt wird.In another embodiment, parts of the connecting rod and crankshaft bearings, i.e., bearing shells and/or bearing washers of the connecting rod-crankshaft connection, can be made of the aforementioned carbon or carbon-ceramic material. Thus, in this exemplary embodiment, this area would also be lubricated in the manner described above, with minimal abrasion of the engaging surfaces. Optionally, in this case, the injectors can also be used in such a way that the powdered abrasion is returned to the injectors.

Die beiden gegenüberliegenden Kurbelwellen 5, 5' werden über Treibriemenräder 6 und 6' und einen Treibriemen 7 miteinander gekoppelt um einen exakten zwangsgeführten Gleichlauf beider Kurbelwellen zu erzielen. Über eine verstellbare Umlenkrolle 14 kann der Treibriemen 7 für einen optimalen schlupffreien Gleichlauf eingestellt werden.The two opposing crankshafts 5, 5' are coupled via drive pulleys 6 and 6' and a drive belt 7 to achieve precise, positively driven synchronization of both crankshafts. The drive belt 7 can be adjusted for optimal, slip-free synchronization via an adjustable deflection pulley 14.

In Bezug auf die eingangs genannten Werkstoffdatenbereich des Carbon- bzw carbonkeramischen Werkstoffes besteht ein bevorzugter Werkstoff mit engeren Werkstoffdatenbereichen wie folgt: - Rohdichte 1,95 bis 196 (g/cm3) - Porösität 6 bis 8 (%) - Biegefestigkeit von 85 bis 90 (MPa) - Druckfestigkeit von 220 bis 230 (MPa) - Elastizitätsmodul 15 bis 17 (GPa) - Thermischer Ausdehnungskoeffiz. 7,4 (10-6/K) - Härte Rockwell HR5/150 120 - Wärmeleitfähigkeit von 58 bis 62 (W/mK) - Mittlere Korngröße von 8 bis 10 (µm) With regard to the material data range of the carbon or carbon-ceramic material mentioned above, a preferred material with narrower material data ranges is as follows: - Bulk density 1.95 to 196 (g/cm 3 ) - porosity 6 to 8 (%) - Flexural strength from 85 to 90 (MPa) - Compressive strength from 220 to 230 (MPa) - Modulus of elasticity 15 to 17 (GPa) - Thermal expansion coefficient. 7.4 (10 -6 /K) - Rockwell hardness HR5/150 120 - Thermal conductivity from 58 to 62 (W/mK) - Average grain size from 8 to 10 (µm)

Es hat sich gezeigt, dass Carbon- bzw Carbonkeramische Werkstoffe mit diesen spezifischen Werkstoffdaten einen Verbrennungsmotor der beschriebenen neuen Bauart ermöglicht, der bei einem Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff hohe Standzeiten, eine hohe Robustheit, ruhigen Gleichlauf und eine hohe Leistung erzielt.It has been shown that carbon or carbon-ceramic materials with these specific material data enable a combustion engine of the new design described, which achieves long service life, high robustness, smooth running and high performance when using hydrogen as fuel.

Der erfindungsgemäße Motor eignet sich als Antriebseinheit gleichermaßen in allen Fahrzeugen. Die Grundbauform lässt sich von der 2-Kolben-Version mit einem Zylinder beliebig erweitern auf mehrere Zylinder und einer entsprechenden Anzahl von Kolben.The engine according to the invention is equally suitable as a drive unit in all vehicles. The basic design can be expanded from the two-piston version with one cylinder to multiple cylinders and a corresponding number of pistons.

Insbesondere ist der erfindungsgemäße Motor ausgreift und optimiert für den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff.In particular, the engine according to the invention is designed and optimized for the use of hydrogen as fuel.

In Verbindung mit der Erfüllung der Anforderungen der Technologie an die Forderungen zum Klimaschutz ergeben sich außerdem deutlich höhere Reichweiten gegenüber der Nutzung rein elektrischer Antriebe. Das über den Injektor 9 injizierte Schmiermittel wird durch die Bohrung 12 selbsttätig hindurch geleitet. Die dafür nötigen Kräfte werden durch die Drehung auf der Kurbelwelle selbst erzeugt.In conjunction with the fulfillment of the technology's requirements for climate protection, significantly greater ranges are also achieved compared to the use of purely electric vehicles. Drives. The lubricant injected via injector 9 is automatically directed through bore 12. The necessary forces are generated by the rotation of the crankshaft itself.

2 zeigt nochmals die auf beiden Kurbelwellen 5 und 5' aufgezogenen Schleuderscheiben 10, 10'. Diese sind mit jeweils einer umlaufenden Rille 11 versehen. Innerhalb der Rille ist mindestens eine Bohrung 12 angeordnet, die vom in 1 gezeigten Injektor 9 mit Schmiermittel beaufschlagt wird. Es befinden sich somit Schleuderscheiben auf beiden Kurbelwellen, durch welche die jeweiligen Pleuel-Kurbelwellen-Verbindungen geschmiert werden. 2 shows again the centrifugal discs 10, 10' mounted on both crankshafts 5 and 5'. These are each provided with a circumferential groove 11. Within the groove there is at least one bore 12, which is 1 The injector 9 shown is supplied with lubricant. Thus, there are flinger discs on both crankshafts, through which the respective connecting rod-crankshaft connections are lubricated.

3 zeigt noch einmal die genaue Lage von Schleuderscheibe 10 auf der Kurbelwelle 5, entsprechend auch die Schleuderscheibe und Kurbelwelle gegenüberliegend. Das über den Injektor injizierte Schmiermittel wird durch die jeweilige Öffnung 12 der jeweiligen Schleuderscheibe 10 hindurch geleitet. Die dafür nötigen Kräfte werden durch die Drehung auf der Kurbelwelle selbst erzeugt. Die Öffnung 12 der Schleuderscheiben 10 fluchtet jeweils mit einer weiteren Durchgangsöffnung 12a im Exzenter 8 und mündet jeweils im Nadellager des Pleuels 8a aus, und nehmen dort die ortsgenaue Schmierung vor. Die Durchgangsöffnung 12a kann auch durch dort eingepresste Röhrchen verstärkt werden. Das Lager 13 der Kurbelwelle 5 selbst ist selbstschmierendes Lager in einer möglichen Ausführungsform. In einer weiteren möglichen Ausführungsform können zumindest die Lagerschalen aus Carbon- oder carbonkeramischem Werkstoff bestehen. Alle diese Details sind auf der Seite der gegenüberliegenden Kurbelwelle 5' gleich ausgestaltet. 3 shows once again the exact position of the flinger 10 on the crankshaft 5, and accordingly also the flinger and crankshaft opposite each other. The lubricant injected via the injector is guided through the respective opening 12 of the respective flinger 10. The forces required for this are generated by the rotation on the crankshaft itself. The opening 12 of the flingers 10 is aligned with a further through-opening 12a in the eccentric 8 and opens into the needle bearing of the connecting rod 8a, where they provide precise lubrication. The through-opening 12a can also be reinforced by small tubes pressed into it. The bearing 13 of the crankshaft 5 itself is a self-lubricating bearing in one possible embodiment. In another possible embodiment, at least the bearing shells can be made of carbon or carbon-ceramic material. All of these details are designed identically on the side of the opposite crankshaft 5'.

Der oben genannte möglich Werkstoff Carbon- oder carbonkeramische Werkstoff kann bspw eine Werkstoff sein, in den Kohlenstoff in ein Aluminiummatrix oder eine Aluminiumoxidmatrix eingebracht, bzw durch Wärmebehandlung eingesintert wird.The above-mentioned possible material carbon or carbon-ceramic material can, for example, be a material in which carbon is introduced into an aluminum matrix or an aluminum oxide matrix, or sintered by heat treatment.

PositionsnummernPosition numbers

11
Verbrennungsmotorcombustion engine
22
Zylindercylinder
3, 3'3, 3'
KolbenPistons
4, 4'4, 4'
Kolbenringepiston rings
5, 5'5.5'
Kurbelwellecrankshaft
6, 6'6, 6'
TreibriemenräderDrive belt pulleys
77
TreibriemenDrive belt
8, 8'8, 8'
Exzenter der KurbelwelleCrankshaft eccentric
8a, 8a'8a, 8a'
Pleuel mit NadellagernConnecting rods with needle bearings
9, 9'9, 9'
InjektorInjector
10, 10'10, 10'
Schleuderscheibecentrifugal disc
11, 11'11, 11'
Rillegroove
1212
Durchgangsöffnung in SchleuderscheibeThrough hole in centrifugal disc
12a'12a'
fluchtende Öffnung ins Nadellager des Pleuelsaligned opening in the needle bearing of the connecting rod
13, 13'13, 13'
Lager (Lagerschalen) der KurbelwelleBearings (bearing shells) of the crankshaft
1414
SpannrolleTension pulley

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10 2011 114 854 A1 [0002, 0011]DE 10 2011 114 854 A1 [0002, 0011]

Claims (11)

Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, mit einer Anordnung von zwei in einem Zylinder mit gemeinsamer Brennkammer laufenden und mit Kolbenringen versehenen Gegenkolben, wobei die sich gegenüberliegenden Kolben über Pleuel und Pleuellager und Exzenter auf jeweils eine eigene Kurbelwelle einwirken, und jede der beiden Kurbelwellen einen eigenen mechanischen Abtrieb aufweist, und die beiden Abtriebe mit jeweils einem Treibriemenrad versehen, und die beiden Treibriemenräder über einen Treibriemen gekoppelt und die Kolbenbewegungen darüber synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuellager (8a, 8a') über eine ebenfalls auf jeder Kurbelwelle (5, 5') angeordnete Schleuderscheibe (10, 10') und eine in direkter Nähe zur Schleuderscheibe (10, 10') befindlichen Injektor (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagbar ist, über die in einstellbaren Zykluszeiten eine Tropf- oder Sprühinjektion von Schmiermittel vornehmbar ist, und dass sowohl der Zylinder (2) sowie die Kolbenringe (4, 4') der Kolben (3, 3') aus einem Metallwerkstoff bestehen, während die Kolben selbst aus einem Carbon- oder Carbonkeramik-Werkstoff bestehen.Internal combustion engine according to the opposed-piston principle, with an arrangement of two opposed pistons running in a cylinder with a common combustion chamber and provided with piston rings, wherein the opposing pistons each act on their own crankshaft via connecting rods and connecting rod bearings and eccentrics, and each of the two crankshafts has its own mechanical output, and the two outputs are each provided with a drive belt pulley, and the two drive belt pulleys are coupled via a drive belt and the piston movements are synchronized via this, characterized in that the connecting rod bearings (8a, 8a') can be supplied with lubricant via a centrifugal disc (10, 10') also arranged on each crankshaft (5, 5') and an injector (9, 9') located in direct proximity to the centrifugal disc (10, 10'), via which a drip or spray injection of lubricant can be carried out in adjustable cycle times, and that both the cylinder (2) and the piston rings (4, 4') of the pistons (3, 3') are made of a metal material, while the pistons themselves are made of a carbon or carbon ceramic material. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuderscheiben (10, 10') mit jeweils einer von den Injektoren (9, 9') mit Schmiermittel beaufschlagten Seite umlaufend eingebrachten Rille (11, 11') versehen ist, in die hinein die Schmiermittelinjektion erfolgt, und die Rillen (11, 11') jeweils mit mindestens einer axialen Durchgangsöffnung (12, 12') versehen ist, die mit einer Durchgangsöffnung (12a, 12a') durch den jeweiligen Exzenter (8, 8') bis zum jeweiligen Nadellager der Pleuel (8a, 8a') fluchten.Internal combustion engine based on the opposed piston principle, Claim 1 , characterized in that the centrifugal discs (10, 10') are each provided with a circumferential groove (11, 11') on the side supplied with lubricant by the injectors (9, 9'), into which groove the lubricant is injected, and the grooves (11, 11') are each provided with at least one axial through-opening (12, 12') which is aligned with a through-opening (12a, 12a') through the respective eccentric (8, 8') up to the respective needle bearing of the connecting rods (8a, 8a'). Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) ein Hydraulikzylinder mit polierter Innenoberfläche ist.Internal combustion engine based on the opposed piston principle, Claim 1 or 2 , characterized in that the cylinder (2) is a hydraulic cylinder with a polished inner surface. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelinjektionsmenge einstellbar ist.Internal combustion engine based on the opposed piston principle, according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the lubricant injection quantity is adjustable. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Zykluszeiten zwischen den Injektionen einstellbar sind.Internal combustion engine based on the opposed piston principle, according to one of the Claims 1 until 4 characterized in that the cycle times between injections are adjustable. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel flüssiges Schmiermittel ist.Internal combustion engine according to the opposed piston principle, according to one of the preceding claims, characterized in that the lubricant is liquid lubricant. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Injektoren (9, 9') für das Schmiermittel aus einem Schmiermittelreservoir gespeist wird, in welches aus der besagten Pleuellager rückführbares Schmiermittel zurückgeführt wird.Internal combustion engine according to the opposed piston principle, according to one of the preceding claims, characterized in that injectors (9, 9') for the lubricant are fed from a lubricant reservoir into which lubricant which can be returned from the said connecting rod bearing is returned. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel aus einem staubfeinen trockenen Schmiermittel auf Carbonbasis besteht.Internal combustion engine according to the opposed piston principle according to one of the preceding claims, characterized in that the lubricant consists of a dust-fine dry lubricant based on carbon. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager oder Lagerschalen der Kurbelwellen aus Carbon oder carbonkeramischem Werkstoff besteht.Internal combustion engine according to the opposed piston principle, according to one of the preceding claims, characterized in that the bearings or bearing shells of the crankshafts are made of carbon or carbon-ceramic material. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Kraftstoff zumindest teilweise aus Wasserstoff besteht.Internal combustion engine according to the opposed piston principle, according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel used consists at least partly of hydrogen. Verbrennungsmotor nach dem Gegenkolbenprinzip, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff aus den beiden Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff besteht, die aus zwei separaten Tanks gasförmig und getrennt in den Brennraum einleitbar sind.Internal combustion engine according to the opposed piston principle, according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel consists of the two components hydrogen and oxygen, which can be introduced into the combustion chamber in gaseous form and separately from two separate tanks.
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