DE102008061326A1

DE102008061326A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit verlängerter oberer Totpunktzeit

Info

Publication number: DE102008061326A1
Application number: DE200810061326
Authority: DE
Inventors: Helmut Obieglo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem darin beweglich angeordneten Kolben, welcher Medien verdichtet bzw. Expansionsarbeit verrichtet. Dabei wird der Kolben insbesondere mittels zweier Pleuel und einem Hebel gesteuert, welcher hierdurch mit einer drehbaren Exzentrizität in Antriebsverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem darin beweglich angeordnetem Kolben, welcher Medien verdichtet bzw. Expansionsarbeit verrichtet. Dabei wird der Kolben insbesondere mittels zweier Pleuel und einem Hebel gesteuert, welcher hierdurch mit einer drehbaren Exzentrizität in Antriebsverbindung steht.
Verbrennungskraftmaschinen mit diesem Wirkungsmechanismus sind seit langem bekannt. Jüngeren Datums sind Hubkolbenaggregate, welche den Kolben mittels eines Knickhebels auf seine Bahn führen. Ein Getriebe dieser Art ist nach der PCT-Anmeldung EP 88/00367 bekannt.
Danach wird eine Steuerung der Kolbenbewegung vorgeschlagen, bei welcher die Verwendung von geteilten Pleueln, anstatt des sonst üblichen einteiligen Pleuels, vorgesehen ist. Hierdurch soll die Kinematik der Maschine verändert werden, mit der Maßgabe, dass der Kolben deutlich länger im Bereich des oberen Totpunktes (OT) verbleibt. Hierdurch soll der Verbrennungsablauf, die Abgasqualität und der Treibstoffverbrauch verbessert werden. Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist allerdings der erhöhte Bauaufwand, verbunden mit einer deutlichen Drehzahlreduzierung infolge der höheren Massenkräfte bzw. -momente.
Untersuchungen dieses Maschinentyps lieferten gleichwohl sehr unterschiedliche Ergebnisse. Einerseits konnten durch Messungen deutliche Verbrauchsreduzierungen und verbesserte Abgasqualität festgestellt werden, jedoch musste das Drehzahlniveau in allen Fällen stark reduziert werden. Andere Messungen lieferten hingegen keinerlei Verbesserungen (vgl. insbesondere Motortechnische Zeitschrift MTZ 49 von 1988).
Ziel der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine zu entwickeln, welche den effektiven Wirkungsgrad sehr deutlich erhöht, die Abgasqualität deutlich verbessert, den Treibstoffverbrauch effektiv reduziert, einen Vielstoffmotor darstellt, einfach im Aufbau ist und trotzdem ohne Senkung des Drehzahlniveaus auskommt.
Dies ist mit dem herkömmlichen Stand der Technik nicht ausführbar.
Die Erfindung erreicht dies allerdings durch Realisierung von extremalen Einflussgrößen bzgl. ihrer Geometrien und korrespondierenden, optimierten Prozessparametern.
Ein prinzipielles Ausführungsbeispiel der Erfindung – insbesondere als Hubkolbenverbrennungskraftmaschine – ist in den nachfolgenden 1 bis 3 dargestellt und findet auch anhand der Patentansprüche Erläuterung:
1:
Mit 1 ist ein ortsfester Drehpunkt markiert, den eine Exzentrizität 2 umläuft. An letzterer ist ein Getriebeglied, insbesondere ein Pleuel 4 im Drehpunkt 3 drehbeweglich befestigt. Mit diesem in Antriebsverbindung steht im Drehpunkt 5 ein Hebel, welcher aus den, bevorzugt einteiligen, Segmenten 6a und 6b besteht und seinerseits über den gehäuseseitigen Schwenkpunkt 7 verfügt. Diametral zu letzterem wird im Hebelpunkt 8 ein weiteres Pleuel 9 angelenkt. Es verbindet den Hebel antriebstechnisch mit dem im Zylinder 12 geführten Kolben 11, welcher über den Verbindungs- und Befestigungsdrehpunkt 10 verfügt
Hieraus ersichtlich sind jedoch nicht die tatsächlichen Realisierungspotenziale hinsichtlich der Geometrien und Prozessparameter, auf die es aber erfindungsgemäß entscheidend ankommt. Deswegen wird die Erfindung mittels 2 bzw. 3 nachfolgend genauer spezifiziert.
2:
Die hier gezeigte, im Wesentlichen maßstäbliche Skizze, stellt erfindungsgemäß eine Verbrennungskraftmaschine mit verlängerter oberer Totpunktzeit dar. Hierdurch lassen sich vorteilhafte Geometrien und Prozessparameter realisieren. Es kann statt einer kostenintensiven und vergleichsweise labilen Kurbelwelle eine wesentlich preisgünstigere, dynamischere und stabilere Exzenterwelle 2 gewählt werden. Erleichterungsausnehmungen 2.1 kennzeichnen u. a. die Minimierungsmöglichkeiten bzgl. der trägen Massen. Dieses Bauteil ergibt bessere Möglichkeiten für die Lagerung (unmittelbar am Exzenter selbst) und Auswuchtung (z. B. direkt neben der Lagerung oder an der Schwungscheibe). Das ortsfeste Drehzentrum ist wiederum mit 1 gekennzeichnet. Es kommt ein Pleuel 4 zur Anwendung, welches vorteilhaft nur einteilig ausgeführt werden kann und somit nicht nur montagefreundlich ist, sondern zudem den erfindungsgemäß extrem hohen Belastungen besser entsprechen kann als konventionelle Pleuel. Es ist wiederum gelagert im Drehzentrum 3. Das Pleuel kann vorteilhaft aus Aluminium (oder ggf. Titan) hergestellt werden, statt üblicherweise aus Stahl. Diese Maßnahme führt ebenfalls zu einer Gewichtsreduzierung und wiederum zu einer Verkleinerung der trägen Massen.
Der Schwenkhebel verfügt in diesem Ausführungsbeispiel mit seinen einteiligen Segmenten 6a und 6b über linienförmig angeordnete Verbindungslager 5, 7 und 8. Letztere sind vorteilhaft wälzgelagert.
Der Kolben 11 wird im Zylinder 12 mittels des weiteren Pleuels 9 geführt und überstreicht während seiner Bahnbewegung die Gaswechselöffnungen 13 (Auslass) bzw. 14 (Einlass). Dieser Zweitaktbetrieb (erfindungsgemäß: Dreitakt) wird hier durch ein nicht näher beschriebenes Gebläse ermöglicht. Es bläst Frischluft in vorteilhafter Weise durch den Zylinder. Die Frischluft wird effektiv zugeführt und ersetzt in hohem Maße das Abgas. Ein gewisser Restgasanteil kann dabei prozesstechnisch sogar von Vorteil sein.
Wenigstens eine Mulde 11.1 befindet sich im Kolben und ermöglicht. prozesstechnisch eine sehr effektive und erfindungsgemäße Verbrennung: Wenigstens eine hier nicht näher beschriebene Düse spritzt etwa um bzw. im oberen Totpunkt (OT) Treibstoff bzw. Gemisch in diese Mulde. Die durch die Erfindung resultierenden sehr günstigen thermodynamischen Bedingungen (hoher Druck, hohe Temperatur), in Verbindung mit der längeren Verweilzeit des Kolbens im OT, können auch schwerer entflammbare Stoffe vorteilhaft und sauber verbrennen.
Es ist auch eine sehr effektive Benzindirekteinspritzung mit Selbstzündung möglich (HCSI = High Compression Self Ignition). Die Verbrennung verläuft erfindungsgemäß sehr viel schneller und intensiver, also insgesamt dynamischer, als üblich. Hieraus resultiert ein deutlich besseres Abgasverhalten und eine starke Reduzierung des Kraftstoffverbrauches. Bei vergleichbarer Leistung fällt auch das durchschnittliche Temperaturniveau des erfindungsgemäßen Motors deutlich geringer aus (ca: –25%), weshalb auf zusätzliche Wasserkühlung verzichtet werden kann.
Insgesamt ist erfindungsgemäße Maschine viel einfacher im Aufbau als der oben skizzierte Stand der Technik. Die Erfindung vermeidet somit auch die Nachteile des Standes der Technik; besitzt jedoch gleichzeitig deren Anspruch auf Verbesserungen, insbesondere des Verbrennungsgeschehens. Und auch die Massendynamik wird erfindungsgemäß sehr viel besser beherrschbar. Außerdem ist der erfindungsgemäße Arbeitsdruck in Relation zu den Getriebekräften sehr viel günstiger und mit konventioneller Technologie nicht zu erfüllen.
3:
Gezeigt werden hier die Kolbenwege des Standes der Technik 21 und der Erfindung 22 bzw. des Umgebung verallgemeinerten Standes der Technik 20. Klar erkennbar ist die längere OT-Verweilzeit des Kolbens der Erfindung (nahezu eine gerade Linie). Hierdurch gewinnt man mehr Zeit für eine bessere Verbrennung.
Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, den Kolben länger im OT verweilen zu lassen und somit die Prozessparameter derart zu verbessern, so dass für die Einspritzung, die Entflammungsphase und die vollständige Verbrennung – bei sehr guten thermodynamischen Bedingungen – sehr viel Zeit zur Verfügung steht; mit anderen. Worten: die Zeitachse hierfür wird quasi gedehnt, so dass Zeit „eingespart” werden kann.
Erklärung: Beim Stand der Technik herrscht nur unmittelbar im OT ein günstiger thermodynamischer Zustand, welcher für die Entflammung und Durchbrennung der Ladung verantwortlich ist. Oder anders beschrieben: Der thermodynamisch günstige Zustand bleibt erfindungsgemäß signifikant länger erhalten.
Es ist also offensichtlich, dass die Erfindung durch die o. g. Maßnahmen gegenüber dem des Stand der Technik deutlich überlegen ist und hiermit die oben erwähnten Zielvorgaben der Erfindungsansprüche erfüllt.
Da bei räumlicher und zeitlicher Betrachtung des Geschehens eine im Wesentlichen nahezu vollständige Gleichraumverbrennung passiert, ist der thermische Wirkungsgrad dieses erfindungsgemäßen Prozesses entsprechend deutlich besser als beim Stand der Technik.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch die einfache Montage der beiden Pleuel. Diese sind beide einteilig ausführbar und werden einfach über die Lagerstellen geschoben. Durch seitliche Orientierung am Gehäuse sind auch keine zusätzlichen Sicherungsmaßnahmen erforderlich.
Weiterhin besteht ein außerordentlich hoher Kostenvorteil für erfindungsgemäßes Aggregat: Im Vergleich zu der sehr kostenintensiven, konventionellen Kurbelwelle ist hier eine einfach zu fertigende Exzenterwelle möglich. Diese weist zu dem eine viel höhere Stabilität auf und kann daher gewichtsgünstiger ausgeführt werden.
Ein zweiter Kolben mit Pleuel lässt sich an einem angepassten, erfindungsgemäßen Hebel antriebstechnisch verbinden. Beide Kolben bedienen dann abwechselnd und vorteilhaft dasselbe Abtriebspleuel. Hierdurch wird ebenfalls viel Gewicht eingespart.
Erfindungsgemäßes Aggregat ist einfach und kostengünstig in der Herstellung sowie effektiv in seiner Wirkung. Der Treibstoffkonsum wird stark reduziert und die Abgasqualität um ein Vielfaches verbessert, der Wirkungsgrad somit erheblich verbessert.
Neben Benzin, Diesel, Wasserstoff und anderen herkömmlichen Brennmitteln können auch minderwertigere, schwerentflammbare Stoffe oder Pflanzenöle, Gase wie Methan mit/ohne Wasser (Aerosole, Gemische) zum Einsatz gelangen und insbesondere „selbstständig” bzw. „automatisch” gezündet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 88/00367 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Motortechnische Zeitschrift MTZ 49 von 1988 [0004]

Claims

Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem sich ein kinematisch geführter Kolben bewegt und somit in sich zyklisch wiederholender Art und Weise Räume wechselnden Volumens bildet, wobei ein Gelenkgestänge mit einer Abtriebswelle antriebstechnisch verbunden ist und das Gelenkgestänge ein an dem Kolben angelenktes erstes Pleuel aufweist, und ein an der Abtriebswelle angelenktes zweites Pleuel und einen Schwenkhebel umfasst, der mit seinem einen Ende um eine zur Abtriebswellenachse im Wesentlichen parallele Schwenkachse angelenkt und andererseits mit den beiden Pleueln verbunden ist und die hierdurch definierte Hebelbewegung – im Wesentlichen Schwenkbewegung – im oberen Totpunktbereich (OT) des Kolbens eine Umkehrlage erreicht dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkhebel 6a, 6b neben seiner gehäuseseitigen Lagerstelle 7 über zwei weitere Anlenkstellen 5, 8 verfügt, an dessen einer Lagerstelle 5 das abtriebswellenseitige Pleuel 4 angelenkt ist und an dessen anderer Lagerstelle 8 das kolbenseitige Pleuel 9 angelenkt ist und letzteres der, bzgl. der gehäusefesten Lagerung 7 des Schwenkhebels 6a, 6b, kolbennäheren Anlenkstelle 8 entspricht und das abtriebswellenseitige Pleuel 4 in einem, bzgl. der Anlenkstellen 7, 8, des Schwenkhebels 6a, 6b kürzeren Abstand von Drehpunkt 5 und Drehpunkt 7 antriebstechnisch angebracht ist, bzw. das abtriebswellenseitige Pleuel 4 in einem, im Wesentlichen, geringeren Abstand zur gehäuseseitigen Anlenkstelle 7 des Hebels angelenkt ist als das kolbenseitige Pleuel 9, wobei sich in der Gegend um den oberen Totpunkt (OT) eine kinematische Strecklage von Schwenkhebel 6a und/oder 6b und kolbenseitigem Pleuel 9 zeitweise einstellt, derart, dass ein kinematischer bzw. geometrischer Winkel γ im Bereich um 180° definiert wird, welcher gebildet ist aus den kinematischen bzw. geometrischen Verbindungslinien wenigstens eines kinematischen bzw. geometrischen Mittelpunktes der Anlenkstellen 8, 10 des kolbenseitigen Pleuels 9 und wenigstens zwei kinematischen bzw. geometrischen Mittelpunkten der hebelseitigen 6a, 6b Anlenkstellen 5, 7, 8.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Hebel 6a und/oder 6b wenigstens ein einteiliges Pleuel angelenkt ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität 2 als Exzenterwelle ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstelle 7 ein- und ver- bzw. feststellbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Schwenkpunkt 7 wenigstens ein Schwenkkolben, insbesondere als Kompressor angebracht ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die vollständige isochore Verbrennung der Ladung der klassische 2- bzw. 4-Takt Prozess als erfindungsgemäßer 3- bzw. 5 Takt Prozess klassifiziert wird.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass theoretische Druck-, Volumen-Diagramm eines typischen DIESEL-Prozesses erfindungsgemäß und praktisch durch die vollständige Verbrennung im oberen Totpunkt (OT) dem eines thermodynamischen OTTO-Prozesses entspricht.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaswechsel im erfindungsgemäßen 3-Takt-Betrieb durch ein abgasangesteuertes Spülgebläse passiert.