DE102005026119B4

DE102005026119B4 - Reibarmer Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsendraum

Info

Publication number: DE102005026119B4
Application number: DE200510026119
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: DE102005026119A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen reibarmen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsendraum. Dabei sind je zwei Kolben an einem bogenförmig oszillierenden Teil angeordnet, welches die Kolben so führt, dass wenn der eine Kolben im oberen Umkehrpunkt steht, der andere im unteren Umkehrpunkt steht und umgekehrt. Das bogenförmig oszillierende Teil kann durch Verschiebung seiner Drehachse so verschoben werden, dass die Größe des Verdichtungsendraums stufenlos verändert werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen reibarmen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsendraum.

Nach BRAESS/SEIFFERT; Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik; bieten Motoren mit verstellbarem Verdichtungsendraum vor allem für aufgeladene Ottomotoren große Vorteile.

„Mit variabler Verdichtung gelingt es, die Absenkung der Kompression auf den klopfgefährdeten Volllastbereich zu beschränken. Bei entsprechend großem Verstellbereich des Verdichtungsverhältnisses kann sogar zusätzlich die Möglichkeit genutzt werden, im Tellastbereich die Verdichtung über das von konventionellen Ottomotoren bekannte Niveau anzuheben und zusätzliche Teillast-Verbrauchsvorteile zu generieren .... Gegenüber dem konventionellen Ottomotor beträgt für einen solchen Motor mit Hochaufladung das Einsparpotenzial 29%, wovon etwa 17% auf Downsizing-Effekte und 12% auf die variable Verdichtung rückführbar sind."

Bekannte Vorschläge für Hubkolbenmotoren mit verstellbarem Verdichtungsendraum haben vergleichsweise hohe Reibverluste, die vor allem aus der Reibleistung der Kolben und der Kurbelwelle und den meist deutlich vergrößerten Reibstellen der Kolbenführung resultieren (Knickpleuel).

Oder sie sind in ihrer Verstellbarkeit zu wenig dynamisch, wie die Lösung, bei denen der gesamte Motorblock gekippt wird.

In DE 699 20 287 T2 wird eine mechanische Transmissionsvorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsendraums gezeigt, die aber zu voluminös und aufwendig erscheint. In US 2002/0083908A1 ist ein System gezeigt, bei welchem ein Excenterring auf der Kurbel der Kurbelwelle verdreht wird und so die Kurbelstellung in OT verändert werden kann. Aber auch diese Lösung erscheint vergleichsweise kompliziert, da sie an einem bewegten Teil erfolgt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, hat einen unkomplizierten und vergleichsweise einfachen, kompakten Aufbau, bei welchem deutlich geringere Reibverluste gegeben sind und zusätzlich sehr einfach eine Verstellung des Verdichtungsendraums möglich ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß je zwei Kolben an einem um einen Drehpunkt oszillierenden Hebel angeordnet sind, der von einer Kurbelwelle hin und herbewegt wird und die Kolben so geführt werden, dass der Pleuelwinkel β zwischen Kolbennormale und Pleuelstange bei hoher Kolbengeschwindigkeit stets deutlich kleiner als 8° ist und nur in Nähe der Umkehrpunkte der Kolben größer als 10° werden kann.

Zusätzlich ist eine vergleichsweise einfache Verstellung des Verdichtungsendraums realisierbar, indem der Drehpunkt des Hebels mit einem Doppelexcenter verschoben wird.

Der erfindungsgemäße Motor wird anhand der 1–5 erläutert.
1 zeigt den Aufbau und die Verstellung des Verdichtungsendraums.
In zwei an den Zylinderköpfen zueinander geneigten Zylindern (1) arbeiten die beiden Kolben (2), welche mit kurzen Pleueln (3) oder einer anderen der bekannten Kolbenführungen mit einem bogenförmig hin- und herbewegten Element (4) verbunden sind.
Das bogenförmig bewegte Element (4) dreht um eine Achse (7) mit einem Schwenkwinkel von etwa 60° hin und 60° zurück. Die Achse (7) ist in zwei rohrförmigen Teilen (8, 9) mit exzentrischen Bohrungen gelagert. Durch entgegengesetztes Verdrehen der beiden Teile (8, 9) lässt sich das Element (4) nach auf einer Geraden nach oben oder unten bewegen und so der Verdichtungsendraum für beide Zylinder in identischer Weise verändern.
Das Element (4) wird von einer Kurbelwelle (5) und einem Pleuel hin- und herbewegt.
2 zeigt, dass man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verstellsystems eine sehr weite Verstellmöglichkeit erreicht.
Auch die Motorreibung ist sehr gering.
Beim konventionellen Hubkolbenmotor wird der Kolben mit der Kraft K = F·sin α·r/l mit

F: = senkrechte Gaskraft auf Kolben
α: = Winkel der Kurbelstellung
r: = Kurbelradius
l: = Pleuellänge

Ein Motor mit einem Kurbelradius 50 mm und einer Pleuellänge von 180 mm hat im Bereich der schnellen Kolben (60° < α < 120°) eine Querkraft K > 0.24·F.
Beim vorgeschlagenen Motor liegt diese Kraft bei K = F·sin (Pleuelwinkel am Kolben). Für den Bereich der schnellen Kolbenbewegungen kann K < 0,12·F realisiert werden.
Eine weitere Verbesserung ist dadurch gegeben, dass nur eine Kurbel für jeweils zwei Kolben benötigt wird, wodurch die Reibverluste der Kurbelwelle deutlich verringert werden.
Ein zusätzlicher Vorteil ist dadurch gegeben, dass je zwei Kolben in einer Ebene liegen, wodurch der Motor verkürzt wird.
Insgesamt erscheint damit der erfindungsgemäße Aufbau prädestiniert für Motoren mit 6 und mehr Zylindern.
3 erläutert Forderungen, die erfüllt sein müssen, um

1) in jeder Einstellung des Verdichtungsendraums an beiden Kolben das identische Volumen des Verdichtungsendraums zu erhalten und
2) möglichst geringe Kolbenreibung zu erreichen.

1) ist nur dann möglich, wenn der Strahl durch die Bewegungsbahn B der Aufhängung des Elements (1(4)) senkrecht auf dem Strahl durch die Kurbelpunkte OT-UT-Kurb steht und die Kolbenbahnen spiegelsymmetrisch zur Bewegungsbahn B liegen. Zusätzlich muß die Verbindungsgerade OT-UT-Os der Pleuelaugen am oszillierenden Teil in den Umkehrpunkten parallel zur Verbindungsgeraden OT-UT-Kurb sein.
Um 2) zu erreichen, müssen die Zylinder so geneigt und der Drehpunkt (M) des oszillierenden Teils so gewählt werden, daß die Kreisbahn (K) der Pleuelaugen (P1, P2) am oszillierenden Teil der Bewegungsbahnen (KPB1, KPB2) der Pleuelaugen am Kolben der Länge l tangiert oder im Abstand d < l schneidet.
4 zeigt, dass man dadurch auf der Strecke der schnellen Bewegung kleine Pleuelwinkel am Kolben erhält.
5 zeigt, dass mit Hilfe des Motorprinzips ein einfacher Motor nach dem Baukastenprinzip realisierbar wird. Der Motor wird aus Schichten zusammengebaut, welche je eine oder zwei Wippelemente (2 oder 4 Kolben) enthalten. Auf diese können ohne große Entwicklungs-, Werkzeug-, Produktions- und Logistikkosten weitere Motormodelle wie 6-, 8-, 10- und 12-Zylindermotoren aufgebaut werden.

Claims

Hubkolbenmotor mit je zwei Kolben, deren Bewegungslinien in einer gemeinsamen Ebene liegen, die über einen Kurbelmechanismus eine Kraftwirkung an einer gemeinsamen Kurbel einer Kurbelwelle ausüben dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelmechanismus ein um eine gehäusefeste Drehachse (7) bogenförmig oszillierendes Element (4) enthält, das über Pleuel (3) von den Kolben bewegt wird und durch seine Bewegung die Kurbelwelle dreht.
Hubkolbenmotor nach Patentanspruch 1, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung der Lage der Drehachse (7) der Verdichtungsendraum verändert werden kann.
Hubkolbenmotor nach Patentanspruch 2, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebebahn B der Drehachse (7) geradlinig ist und der Strahl durch B senkrecht auf dem Strahl OT-UT durch die beiden Lagepunkte der Kurbeln bei Umkehrstellung der Kolben steht.
Hubkolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsgerade OT-UT-Os der Stellung des Pleuelauges am oszillierenden Teil in den Umkehrpunkten parallel zur Verbindungsgeraden OT-UT-Kurb der Stellung der Kurbel in den Umkehrpunkten ist.
Hubkolbenmotor nach einem der Patentansprüche 2 bis 4 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Lage der Drehachse (7) mit zwei umeinander angeordneten Rohrelementen (8, 9) mit exzentrischer Bohrung erfolgt, welche entgegengesetzt zueinander verdreht werden.
Hubkolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Motorzylinder so geneigt und der Drehpunkt (M) des oszillierenden Teils so gewählt werden, daß die Kreisbahn (K) der Pleuelaugen (P1, P2) am oszillierenden Teil der Bewegungsbahnen (KPB1, KPB2) der Länge l der Pleuelaugen am Kolben tangiert oder im Abstand d < l schneidet.
Hubkolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass je 2 bzw. 4 Kolben (2) mit ihren zugehörigen Zylindern und 1 bzw. 2 Elementen (4) in einem Motorabschnitt (Motorschicht) angeordnet sind, die mit weiteren Motorabschnitten zu einem Motor höherer Zylinderzahl zusammengebaut werden.