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Die
Erfindung sinkt den spezifischen Kraftstoffverbrauch und sinkt proportional
Menge des Auspuffes der Verbrennungsmotoren, erhöht die
Effektivität der Benutzung seiner Nominalziffern, verbessert
seiner ökonomischen und ökologischen Eigenschaften
infolge Vergrößerung des Drehmomentes durch Realisierung
der Reserven von seiner Kurbelmechanismen mit Hilfe Trägheitskräfte
von den zusätzlichen Teile rechts an der Pleuelstange.
Die technischen Lösungen sind tauglichen auch für
andere Kolbenmaschinen.
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Stand der Technik
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In
den traditionellen Verbrennungsmotoren im Anfang des Arbeitshubs,
wann der Druck der Gasen im Zylinder maximale ist, das Drehmoment
an Kurbelwelle von dieser maximale Kraft die Null ist, weil dabei
die Pleuelstange und die Kurbel auf einziger geraden Linie liegen.
Diese Verluste vermindern den effektiven Druck und entsprechend
den Wirkungsgrad.
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In
dem Verbrennungsmotor gemäß Aktenzeichen 10 2007
027 202.4–13 sinken sich wesentlich die o. g. Verlusten.
Dafür enthält er den zusätzlichen Teil
(6a) rechts am Oberkopf des jeden Pleuels. Bei dem Ausgang
des Kolbens aus dem Obentatpunkt in dem Anfang des Arbeitshubs – mit
bekannter sehr großer Beschleunigung – und seiner
Bewegung nach unten entsteht die Trägheitskraft, die durch
den Teil (6a) ein Drehmoment, das gegen den Uhrzeigersinn,
an dem Pleuel einwirkt. Deshalb entsteht in dem Kontakt des Pleuels
mit der Kurbel eine Kraft, die ein Drehmoment mit der Richtung im
Uhrzeigersinn bildet. Solche Drehmomente von den Trägheitskräften entstehen
bei allen Takten der Arbeit des Motors und ein wesentliche Zulegen
zum Drehmoment an der Kurbelwelle bilden. Es erhöht den
effektiven Druck in den Zylinder. Das Zulegen ist eine Ergänzung
der Optimierung der Anordnung der Vektoren der Kräfte während
der Arbeit des Motors und seinen Wirkungsgrad durchaus erhöht.
Die Effektivität der Wirkung der Trägheitskräfte
wird von der Größe des Momentes bestimmt. Außerdem
werden die Verluste sich infolge Zwangsstabilisierung der Kolbenachse
mit Hilfe Führungsleiste und dem Führungsträger
vermindern.
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Aufgabe der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verbrennungsmotors mit
erhöhten ökonomischen und ökologischen
Kennziffern mit Hilfe der weiteren Optimierung der Größe
und Anordnung der Vektoren der Trägheitskräfte
in seinem Kurbelbetriebe bei der Möglichkeit der Einfachheit
der Montage der zusätzlichen Teile an den Pleuelstange.
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Das
Ziel wird dadurch erreicht, dass jeder zusätzliche Teil
an dem Pleuel, der die positive Trägheitskräfte
bildet, vorzugsweise mit einem U-förmiges Spanneisen erfüllt;
seine Außenfläche wird mit der Zylinderfläche
bei dem montage-wärmen Spiel gekoppelt; seiner Oberrand
befindet sich unter Unterrand des Kolbens.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Der Längsschnitt eines Verbrennungsmotors mit den zusätzlichen
Teilen rechts an den Pleuelstangen unter den Kolben.
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2:
Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der
Lage 0 des Kolbens; die Vektoren der Beschleunigung des Kolbens
und der Trägheitskraft von dem zusätzlichen Teil.
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3:
Der Querschnitt B-B gemäß 2: der zusätzliche
Teil wird an der Pleuelstange befestigt; die Außenfläche
dieses Teils wird mit der Zylinderfläche gekoppelt.
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4:
Der Querschnitt A-A gemäß 1: die Vektoren
der Beschleunigung und Trägheitskraft bei der Lagen I,
II des Kolbens; die Torsionsmomentenebene von dem zusätzliche
Teil bei der Platzierung der Kurbel in dem Quadrant Q.
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5:
Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der
Lagen III, IV des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant
P; Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den
Quadranten Q, P.
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6:
Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der
Lage V, des Kolbens – in dem Untentatpunkt; die Torsionsmomentenebene
von dem zusätzlichen Teil in den Quadranten Q und P.
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7:
Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der
Lage IV des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant R;
Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den
Quadranten Q, P und R.
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8:
Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der
Lage V des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant S;
Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den
Quadranten Q, P, R, S.
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9:
Zyklogramm – Drehmomente von einem Verbrennungsmotor vor
und nach der Modernisierung entsprecend der Erfindung.
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Der
Verbrennungsmotor besteht aus dem Zylinderblock (1) mit
den Zylindern (Z), dem Zylinderkopf (2) und der Ölwanne
(3). In den Zylindern (Z) befinden sich die Kolben (4)
mit den Kompression- und Ölabschiederingen (5).
Die Kolben (4) sind mit Hilfe der Pleuelstange (6)
und der Kolbenbolzen (7) mit der Kurbeln (8) der
Kurbelwelle (9) verbinden. Die Kurbelwelle (9)
läuft in der Lager (10) mit der Bedeckungen (11).
Die Kurbelwelle hat die Gegengewichte (12) und den Schwungrad
(13).
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An
jeder Pleuelstange (6) wird ein zusätzlicher Teil
(15) mit Hilfe einem U-förmigen Spanneisen (16)
und einer der Schraube (17) montiert. Der Teil (15)
enthält vorzugsweise eine Platte (15a) mit der Oberfläche
(15b), die sich mit der Zylinder (Z) während der
Bewegung des Kolbens (4) mit dem Pleuelstange (6)
nach unten immer gekoppelt. Die Breite (M) der Platte (15a)
ist kleiner als der Abstand (N) zwischen der Gegengewichtigen (12).
Der Teil (15) und Spanneisen (16) haben die symmetrischen
zwischen einander Krallen entsprechend – (15c)
und (16a), dabei die Oberflächen (15c)
und (16a) immer in einzigen Fläche liegen. Der
Teil (15) wird vorzugsweise an der Kant der Pleuelstange
(6) montiert, dabei der Oberrand der Platte (15a)
sich unter der Kolbenschaft befinden.
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Die
Einwirkung der Trägheitskräfte von den zusätzlichen
Teilen (15) rechts an der Pleuelstange (6) kann
man an einem typischen Verbrennungsmotor mit realen Maßen
und Parameter als auf einem Beispiel sehen: Leistung Pe =
102 kW, Drehzahl n = 6100 l/min, Drehmoment M = 159 Nm;
l =
157 mm – die Lange der Pleuelstange;
y = 60 mm – der
Abstand zwischen dem eigenen Schwerpunktes (T1)
der Pleuelstange (6) und der Pleuelfußachse.
h
= 3,2 mm – der Abstand zwischen der eigener Pleuelstangeachse
mit dem Schwerpunkt (T1) und dem Schwerpunke
(T3) der Pleuelstange (6) mit dem
zusätzlichen Teilen (15);
K – der
Abstand zwischen dem Schwerpunkt (T1) und dem
Schwerpunkt (T2) des zusätzlichen
Teil (15);
m15 = 80 g – die
Masse des zusätzlichen Teils (15);
mPs = 600 g – die eigene Masse der
Pleuelstange.
MPsz 600 + 80 = 680 g – die
ganze Masse der Pleuelstange (6) mit dem Teil (15).
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Für
die Analyse des Einflusses der Trägheitskräfte
auf den Hauptparameter eines Verbrennungsmotors ist nötig
in jeden Quadranten – Q, P, R, S – der Zone des
Kurbeldrehens diese Kräfte zu bestimmen.
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Es
ist allbekannt, dass eine Trägheitskraft FTr = –am,
wo a – Beschleunigung, m – Masse. Das Zeichen
(–) bedeutet, dass der Vektor der Trägheitskraft hat
die Richtung, die immer gegen die Führung des Vektors der
Beschleunigung hat.
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Gemäß der
Formel 13.8 aus dem Buch „Verbrennungsmotoren" – Grundlagen,
Verfahrenstheorie, Konstruktion" von Dr. A. Urlaub – Springer-Verlag – 1995
s. 366 Beschleunigung des Kolbens ak =
dc/dt = dc/dφ × dφ/dt = rω2(cosφ + λcos2φ),
wo
r = 0,043 m – der Radius der Kurbel; λ = r/l = 0,043/0,157
= 0,275;
ω – Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle;
φ – Winkel
der Wendung der Kurbelwelle.
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Die
maximale Drehzahl n = 6100 l/min, ω = 638,5 Rad/S
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In
der Lage 0 bei dem Anfang des Arbeitshubs φ = 0.
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Die
Beschleunigung ao = rω2(1
+ λ) = 0,0405 × 638,52 × (1
+ 0,275) = 21051,7 m/S2. Die hat ihre Richtung
nach unten.
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Der
Kolben (4) bewegt während des Taktes „Arbeitshub” aus
dem oberen Totpunkt nach unten mit dieser Beschleunigung von der
Wirkung Gasendruck. Zusammen mit dem bewegt die Pleuelstange (6)
mit der summarischen Masse 0,68 kg auch mit dieser Beschleunigung.
Die Trägheitskraft der Pleuelstange FTr0 =
0,68 × 21051,7 = 14315 N, die hat ihre Richtung nach oben
und beilegt sich zum Schwerpunkt (T3) der
Pleuelstange (6). Diese Kraft hält die Pleuelstange
(6) in ihrer Absolutbewegung zurück. Dabei kann
man die Pleuelstange (6) wie einen Hebel betrachten. Dieser
Hebel strebt von Wirkung der Trägheitskraft um Kolbenbolzen
(7) gegen Uhrzeitigersinn zu wenden und in dem Kontakt
des Pleuelfusses mit der Kurbel (8) auf die Kurbelwelle
(9) wirkt ein. Deshalb entsteht das Drehmoment M0 = FTr0 h = 14315 × 0,0032
= 45,81 Nm, das die Richtung gegen Uhrzeigersinn hat. Bei der weiteren
Bewegung des Kolbens (4) nach unten führt die
Trägheitskraft zu wirken weiter. Diese Kraft wird zum Schwerpunkt
(T3) beiliegt und nach oben geführt.
Deshalb im Kontakt des Pleuelfußes mit der Kurbel (8)
entsteht die Kraft Fzus.0 = M0/y
= 45.81/0,06 = 763.5 N. Diese Kraft bildet ein Drehmoment an der
Kurbelwelle (9) mit der Richtung im Uhrzeigersinn hat.
Deshalb ist in dem Ausgang des Kolbens die Ergänzung zum
Hauptmoment des Motors. Dieses zusätzliche Drehmoment Mzus0 = Fzus0 × r
= 763.5 × 0,043 = +32,8 Nm. (+20,6%)
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Es
bedeutet, dass in Anfang des Arbeithubs in beliebigen modernisierten
entsprechend der Erfindung Verbrennungsmotor – in der Unterschied
von allen traditionellen Motors – in dem Anfang des Arbeitshubs
von den Trägheitskräften infolge der Montage der
zusätzlichen Teile (15) rechts am Pleuel (6)
ein wesentliche Drehmoment entsteht.
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In
dem Quadrant Q zum Beispiel bei φ = 40° befindet
sich der Kolben (4) in Lage I.
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Dabei:
Die Beschleunigung a40 = rω2(cosφ + λcos2φ)
= 0,0405 × 638,52 × (cos40° +
0,275 × cos80°) = 12647,6 m/S2.
Sie hat die Richtung nach unten. Deshalb Trägheitskraft
FTr.40 = 12647,6 × 0,68 = 8600
N. Das Drehmoment an der Pleuelstange von dieser Trägheitskraft
MTr.40 = FTr.40·z/cosψ40, wo ψ – der Winkel der
Neigung der Pleuelstange. MTr40 = 8600 × 0,0032/0,98
= 28,1 Nm.
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Die
zusätzliche Kraft Fzus40 = MTr.40 × cosα/y = 28,1 × 0,643/0,06
= 301 Nm; (α = 90° – 40° = 50°).
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Das
zusätzliche Drehmoment an der Kurbelwelle Mzus40 =
Fzus40 × r = 301 × 0,043
= +12.9Nm (+8,1%). Dieses Drehmoment hat auch die Richtung im Uhrzeigersinn.
Es bedeutet, dass dieses Drehmoment sich zur Hauptdrehmoment des
Motors beifügt.
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In
dem Quadrant Q, wann der Winkel zwischen der Pleuelstange (6)
und der Kurbel (8) 90° (bei φ = 74,6°),
ist die Beschleunigung des Kolbens seine Richtung an die gegenüberliegend
wechselt, die Beschleunigung Null ist und deshalb das zusätzliche
Drehmoment Mzus74,6 = 0.
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In
dem Quadranten Q und P wachst die Größe der Beschleunigung
von der Null in dem Quadrant Q bis der Vertikallage der Pleuelstange
(6). Dabei hat die Richtung des Vektors der Beschleunigung
nach oben. Es bedeutet, dass die Richtung des Vektors der Trägheitskraft
nach unten hat, das heißt die Trägheitskraft ein
Drehmoment mit der Richtung im Uhrzeigersinn bildet. Zum Beispiel
entsteht bei φ = 140° die Beschleunigung a140 = –11859 m/S2 und
entsprechend das zusätzliche Drehmoment Mzus.140 =
+10 Nm (+6,2%) mit der Richtung auch im Uhrzeigersinn.
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In
der Lage III befindet sich der Kolben (4) in Untentatpunkt.
Bei dem Ausgang aus dem der Vektor der Beschleunigung hat die maximale
negative Größe. a180 = –rω2(1 – λ) = –11970,6
m/S2. Dabei ist das zusätzliche
Drehmoment Mzus.180 = +15,8 Nm (+10%) mit
der Richtung auch im Uhrzeigersinn.
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In
dem Quadrant R hat die Beschleunigung ihrer Richtung nach oben bei
der allmählichen Verminderung ihrer Größe.
Zum Beispiel ist in Lage IV des Kolbens bei φ = 220° die
Beschleunigung a220 = 11405 m/S2.
Dabei ist Trägheitskraft FTr.220 =
6843 N. Sein Moment M220 = 9,7 Nm. Zusätzliches
Drehmoment an Kurbelwelle Mzus.220 = +10
Nm (+6,2%) Nach den Übergang der Kurbel (8) in
den Quadrant S die Größe der Beschleunigung des
Kolben (4) und folglich der Pleuel (6) verlängert
zu vermindern, das an der Zusätzlichdrehmomentenlinie gespiegelt
wird. Bei φ = 287,6°, wann die Pleuelstange relativ
der Kurbel (8) senkrecht ist, die Beschleunigung a287,6 = 0. Bei der weiteren Drehung der Kurbel
taucht die Beschleunigung ihre Richtung, dabei ihr Größe
anzuwachsen anfangt. Zum Beispiel ist Beschleunigung a320 =
12647 m/S2. Das zusätzliche Drehmoment
an der Kurbelwelle, in der Lage V des Kolbens, Mzus.320 = +13,4
Nm (+8,4%). Bei dem weiteren Drehen der Kurbelwelle (9)
wachset die Beschleunigung an und der Kolben in der Ausganglage – Lage
0 mit dem zusätzlichen Drehmoment Mzus.0 =
+32,8 Nm (+20,6%) kommt. Der Zyklus sich wiederholt.
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Die
Anordnung der Krallen (15c), (16a) unweit von
dem Pleuelkopf und dem Pleuelfuß fehlt praktisch Entstehung
des Biegemomentes von der Trägheitskräften an
der Pleuelstange (6).
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In
traditionellen Verbrennungsmotoren in den Quadranten R und S das
Drehmoment MR,S = 0.
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Die
Anordnung des zusätzlichen Teils rechts am Pleuelstange
ermöglicht die Effektivität der Arbeit des Verbrennungsmotors
wegen der Wirkung der Trägheitskräfte von der
zusätzlichen Teilen bedeutend erhöht.
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Dabei
ist zweckmäßig bei dieser Modernisierung des negativen
Einfluß der Zulage der Masse der Pleuelstange von den zusätzlichen
Teilen. Diese Zulage wird infolge einer Verminderung der Schwungradesmasse
kompensiert.
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Die
Hauptfunktionen Funktionen des Schwungrades sind Versorgen der Durchführung
der Kolben bis oben Totpunkt infolge seiner zusammen mit der Kurbelwelle
Trägheit, ebenso der Gleichmäßigkeit
der Drehung der Kurbelwelle. In der traditionellen Motor wird die
Masse des Schwungrades bei dem Drehmoment in Anfang des Taktes „Arbeitshub” M0 = 0.
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In
dem modernisierten Motor wirken die zusätzlichen Drehmomente
von der Trägheitskräften der zusätzlichen
Teilen (15) bei den allen Takten, was die Masse des Schwungrades
vermindern lässt. Außerdem sinken sich die Kraftstoffverbrauch
und Metallansatz ebenso Menge des Auspuffes entsprechend auch sinkt.
Dabei erhöht das Beschleunigungsvermögen des Motors.
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Dadurch
ergeben sich folgende Vorteile:
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Kraftstoffverbrauch und entsprechend die Quantität des
Auspuffs wird reduziert.
- – Das Beschleunigungsvermögen erhöht
sich durch die Erhöhung des effektiven Drucks.
- – Die Leichgängigkeit der Arbeit des Motors
wird erhöht, die Geräusch sich sinkt.
- – Die ökologischen Eigenschaften des Verbrennungsmotors
und anderen Kolbenmaschinen werden verbessert.
- – Die Möglichkeit der Modernisierung mit vermindertem
Arbeitsaufwand der Motore, welche sich in Nutzung befinden.
- – Diese technische Lösungen sind taugliche
auch für den Kompressoren und anderen Kolbenmaschinen,
- – die Erfindung lässt diese Modernisierung
ohne Demontage den Baugruppen „Kolben-Pleuel” auszuführen,
was wesentlich die Arbeit vereinfacht.
- – Die Erhöhung der Leistung an dem Verbrennungsmotor
erhöht seine Effektivität, weil mit der Erhöhung
der Drehzahl die Trägheitskräfte von den zusätzlichen
Teilen (15) anwachsen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Verbrennungsmotoren” – Grundlagen,
Verfahrenstheorie, Konstruktion” von Dr. A. Urlaub – Springer-Verlag – 1995
s. 366 [0022]