Video-Clip des laufenden Gegenkolbenmotors (AVI)

      Paper Ladungswechsel (PDF)

      Veröffentlichung über die Gaswechsel-Konstruktion (PDF)

                    English Presentations

          The Elsbett Gas Exchange System (PPS Presentation)

          Comparison and validation (PDF)

          Potential for Improvement (PDF)

          Survey of Differences (PDF)

          Full Paper CIMAC Shanghai 2013 (PDF)

Funktion meines 4-Takt-GKM:
Die beiden Kolben laufen jeweils in hydraulisch unabhängig voneinander verschiebbaren Zylinderbüchsen:
1. Takt = Arbeitstakt, die beiden Schiebebüchsen sind verschlossen; das heiße Gas wird expandiert und leistet Arbeit
2. Takt = Auspufftakt, die rechte Schiebebüchse öffnet den Ringschlitz zum Auslasskanal; das heiße Abgas wird ausgeschoben
3. Takt = Ansaugtakt, die rechte Schiebebüchse wird wieder geschlossen, die linke Schiebebüchse öffnet den Ansaugkanal;  frisches Gas wird angesaugt und füllt den Zylinder
4. Takt = Verdichtungstakt, auch die linke Schiebebüchsen wird wieder geschlossen, das frische Gas wird komprimiert und danach im oberen Totpunkt gezündet

Ansicht des Gegenkolbenmotors

GKM, montiert auf Prüfstand

GKM, Blick auf geöffneten Rädertrieb

Gegenkolbenmotoren blicken auf eine weit über hundertjährige Geschichte zurück. Sie wurden als Otto- und Dieselmotoren produziert. Mit ihrer hohen Effizienz und guten spezifischen Leistungen eröffnen sie ein breites Anwendungsspektrum. Sie wurden wegen ihres exzellenten Verhältnisses Leistung/Gewicht schon vor 75 Jahren serienmäßig in Flugzeuge eingebaut und erreichten bereits damals einen Wirkungsgrad von über 40%.

In den letzten Jahrzehnten schienen diese Motoren wieder vergessen, weil Forschung und Entwicklung sich überwiegend auf die Verbesserung der motorischen Abgase konzentrierte. Bei konventionellen Gegenkolbenmotoren jedoch ist die Kontrolle der Emissionen schwierig – wie bei allen ventillosen Zweitaktern, u.a. auch deshalb, weil die Kolbenringe das Schmieröl in die Ein- und Auslasskanäle hinein abstreifen.

Neuere Entwicklungen (EcoMotors, Achates Power, Pinnacle Engines, etc.) zeigen jedoch, dass Gegenkolbenmotoren noch nicht abgeschrieben sind und das Potenzial dieser Technologie für künftige Antriebe keineswegs ausgereizt ist. Ein Downsizing-Potenzial besteht durch den Wegfall des Zylinderkopfes und auch dadurch, dass sich zwei Kolben einen Zylinder, einen Brennraum und eine Einspritzdüse teilen. Massenausgleichswellen können ebenfalls entfallen, unabhängig von der Anzahl der Zylinder. Dieser Vorteil bleibt auch prinzipiell noch erhalten, trotz Schmälerung durch einen mehr oder weniger großen Aufwand zur Synchronisierung der Kolbenbewegungen mittels Räder- oder Stangengetriebe.  

Besonders reizvoll sind Gegenkolbenmotoren indes in thermodynamischer Hinsicht, da ihr Brennraum ein unschlagbar vorteilhaftes Volumen/Oberfläche-Verhältnis aufweist, was zu geringeren thermischen Verlusten beiträgt. Das ermöglicht ein weiteres Downsizing, das bei herkömmlichen kleinen Dieselmotoren durch eben diese Wärmeverluste begrenzt ist.  

Aber auch die meisten neuen Gegenkolbenmotoren sind Zweitakter, d.h. der Gaswechsel wird immer noch durch die Kolben selbst gesteuert, indem diese Ein- und Auslass-Öffnungen überdecken müssen, um Füllung und Entleerung des Zylinders zu ermöglichen. In dem hier beschriebenen Viertakt-Gegenkolben-Dieselmotor laufen die Kolben in unterbrechungsfreien, im Zylinder längs verschiebbaren Zylinderbüchsen, welche wie konventionelle Ventile die Gaswege öffnen und schließen und daher beliebige Steuerzeiten unabhängig von der Kolbenstellung erlauben. Dadurch müssen die Kolbenringe nicht über Steuerschlitze bewegt werden. Diese Steuerung erlaubt daher neben dem Zweitaktverfahren auch ein Viertaktverfahren, welches die Vorteile von Gegenkolbenmotoren mit denen der konventionellen kombiniert. Alle bekannten Mittel zur Minderung von Emissionen, Ölverbrauchs, Geräusch, usw. können hier in gleicher Weise wie bei klassischen Viertaktmotoren angewandt werden. 

Da der Antrieb der Schiebebüchsen hydraulisch erfolgt, ist es einfach, eine variable Ventilsteuerung darzustellen, oder – bei mehrzylindrigen Motoren – einzelne Zylinder auch ganz abzuschalten. Das Motorschmieröl ist gleichzeitig auch Hydraulikmedium, so dass nur ein Ölkreislauf erforderlich ist und so die Motorkonstruktion nicht unnötig kompliziert wird. Die hier beschriebene Gaswechselsteuerung ist nicht auf eine Phasenverschiebung der Kolben angewiesen und ermöglicht deshalb einen 100%-Massenausgleich. Zahlreiche Prototypen-Tests erwiesen die einwandfreie Funktion der Schiebebüchsen und es wurden sehr geringe Reibverluste für den Antrieb dieser Gaswechselsteuerung gemessen, da die Büchsen unter hohem Gasdruck nicht bewegt werden müssen. Die Wandstärken der Schiebebüchsen können wegen der stützenden Zylinderwände – ähnlich wie bei trockenen Laufbüchsen – relativ dünn ausgeführt sein, wodurch die oszillierenden Massen gering gehalten werden. Der Gaswechsel, d.h. der Übertritt der Gase in und aus dem Zylinder über die Ein- und Auslasskanäle findet im Bereich des oberen Kolbentotpunktes statt, indem das obere, ventilartig ausgeführte Ende der Schiebebüchsen Ringkanäle öffnet und schließt. Da diese Ringkanäle keine Stege aufweisen, ergeben sich schon bei geringem Büchsenhub optimale Steuer-Querschnitte, die wesentlich größer sind als bei herkömmlicher Vielventiltechnik. Bei dieser Konstruktion gibt es auch keine ausgesprochenen Einlass- oder Auslasskolben, weil hier die thermische Belastung – im Gegensatz zu üblichen Gegenkolbenmotoren – fast gleichmäßig verteilt ist.  

Die hier vorgestellte Technologie bietet zudem zwei unterschiedliche Methoden von Mischvorgang und Verbrennung: Einspritzung vom äußeren Brennraumrand in Richtung der Brennraummitte (von kalt nach heiß), oder Einspritzung vom Brennraumzentrum in Richtung der Brennraumwände (von heiß nach kalt). Die erste Methode benötigt eine oder mehrere Düsen, die um den Zylinder herum angeordnet sind und neue Möglichkeiten der Gemischbildung eröffnet, z.B. unterschiedliche Einspritzzeiten und -mengen an unterschiedlichen Stellen des Brennraumes. Die zweite Methode bewahrt im Prinzip die gesamte klassische Einspritz- und Brennraumgeometrie, jedoch um 90° gedreht, so dass nun die seitliche Zylinderwand als virtueller Zylinderkopf dient, wiederum mit dem Vorteil, dass für zwei Kolben nur eine Düse benötigt wird. Da diese Verhältnisse der Gemischbildung bereits hochentwickelt und in heutigen Serienmotoren schon langerprobt sind, kann mit dieser Ausführung bei Motor-Neukonstruktionen Zeit und Entwicklungsaufwand eingespart werden.